复相结合SiC耐火材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种Si3N4/SiCW复相结合SiC耐火材料及其制备方法。其技术方案是：以50~75wt%的碳化硅、18~36wt%的单质硅和2~15wt%的碳为原料，外加所述原料3~7wt%的改性结合剂，搅拌均匀，机压成型，成型后的坯体在220℃条件下干燥8~48小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCW复相结合SiC耐火材料。所述烧成的温度制度是：先升温至890~920℃，保温1~3小时；再升温至1180~1350℃，保温4~10小时；然后升温至在1380~1500℃，保温4~10小时。本发明制备工艺简单、物相组成可控和形貌可控；其制品具有优异的抗热震性，解决了现有Si3N4结合SiC材料因中心部位氮化不完全导致性能下降的问题。
【专利说明】—种Si3N4/SiC?复相结合SiC耐火材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于Si3N4结合SiC材料【技术领域】。具体涉及一种相结合SiC耐火材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]Si3N4结合SiC材料一般采用反应烧结工艺制备，在烧成过程中，材料边缘先与N2发生氮化反应，随着反应进行，材料边缘致密化逐渐增加，会阻止氮气向材料内部渗透，致使材料中心氮化反应难以完全，最终使得材料中心部分因难以形成氮化硅增强相导致材料性能下降。一般此类材料的氮化深度很难超过45mm，尽管加入添加剂提高氮化深度，但一方面添加剂会引入杂质，影响材料高温性能，另一方面氮化深度的提高很有限，依然难以解决材料中心难以氮化的问题。
[0003]为了解决Si3N4结合SiC材料中心难以氮化的问题，“一种超厚氮化硅结合碳化硅制品”(CN201320575873.6)专利技术在大块材料生坯上沿同一方向制造了分布均匀的贯通孔，让氮气能渗透到材料内部使氮化反应完全，但由于贯通孔的存在，一方面限制了砖形，另一方面会在材料内部造成应力集中，影响材料的力学性能。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种制备工艺简单、物相组成可控和形貌可控的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料的制备方法；用该方法制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料具有优异的抗热震性，能解决现有Si3N4结合SiC材料因中心部位氮化不完全导致性能下降的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:以5(T75wt%的碳化硅、18?36wt%的单质硅和2?15wt%的碳为原料，外加所述原料3?7wt%的改性结合剂，搅拌均匀，机压成型，成型后的坯体在220°C条件下干燥8?48小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料。
[0006]所述烧成的温度制度是:先升温至890、20 V，保温f 3小时；再升温至118(Tl350°C，保温4?10小时；然后升温至在1380?15001:，保温4?10小时。
[0007]所述改性结合剂的制备方法是:先将45?60wt%酚醛树脂和4(T55wt%单质硅为混合料混合，再外加所述混合料12?25wt%的无水乙醇，然后在55飞5°C的水浴锅中搅拌f 3小时，即得改性结合剂。
[0008]所述碳为鳞片石墨、碳黑和酚醛树脂中的两种或三种的混合物；其中:鳞片石墨的C含量大于97wt%，粒径小于88 μ m ;碳黑的C含量大于99wt%，粒径小于60nm ;酚醛树脂的残碳率大于35wt%。
[0009]所述单质娃的Si含量大于98wt%,粒径小于40 μ m。
[0010]所述机压成型的压强为120MPa?250MPa。
[0011]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果: 本发明通过控制原料组成和烧成制度，控制Si3N4的含量、SiC的成核及SiC晶须形貌和含量，制备工艺简单；所制备的相结合SiC耐火材料的所有部位均得到以Si3N4为主要结合相和以SiC晶须为增韧相，解决了现有Si3N4结合SiC材料因中心部位氮化不完全导致性能下降的问题。
[0012]本发明制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料经检测:显气孔率为If 18% ;体积密度为2.60?2.80g/cm3 ;耐压强度为172?220MPa ；1100°C _20°C水冷循环5次后的抗折强度保持率为42飞5%。该材料适用于高炉和干熄焦炉。
[0013]因此，本发明的制备工艺简单、物相组成可控和形貌可控；所制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料具有优异的抗热震性，解决了现有Si3N4结合SiC材料因中心部位氮化不完全导致性能下降的问题。
【具体实施方式】
[0014]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
[0015]为避免重复，先将本【具体实施方式】中的原料和改性结合剂统一描述如下，实施例中不再赘述:
所述鳞片石墨的c含量大于97wt%,粒径小于88 μ m ;所述碳黑的C含量大于99wt%,粒径小于60nm ;所述酚醛树脂的残碳率大于35wt%。
[0016]所述单质娃的Si含量大于98wt%，粒径小于40 μ m。
[0017]所述改性结合剂的制备方法是:先将45?60wt%酚醛树脂和4(T55wt%单质硅为混合料混合，再外加所述混合料12?25wt%的无水乙醇，然后在55飞5°C的水浴锅中搅拌f 3小时，即得改性结合剂。
[0018]实施例1
一种相结合SiC耐火材料及其制备方法。以65?71wt%的碳化硅、2(T25wt%的单质硅和5?10wt%的碳为原料，外加所述原料5?7wt%的改性结合剂，搅拌均匀，在压强为12(Tl60MPa条件下机压成型，成型后的坯体在220°C条件下干燥8?16小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料。
[0019]本实施例所述碳为鳞片石墨和酚醛树脂的混合物。
[0020]本实施例所述烧成的温度制度是:先升温至89(T900°C，保温2?3小时；再升温至118(Tl220°C，保温8?10小时；然后升温至在138(Tl420°C，保温8?10小时。
[0021]本实施例制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料经检测:显气孔率为15?18% ；体积密度为2.60?2.68g/cm3 ;耐压强度为172?198MPa ；1100°C _20°C水冷循环5次后的抗折强度保持率为42?46%。
[0022]实施例2
一种相结合SiC耐火材料及其制备方法。以75wt%的碳化硅、18?23wt%的单质硅和2?7wt%的碳为原料，外加所述原料3?5wt%的改性结合剂，搅拌均匀，在压强为15(Tl90MPa的条件下机压成型，成型后的坯体在220°C条件下干燥16?24小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料。
[0023]本实施例所述碳为碳黑和酚醛树脂的混合物。
[0024]本实施例所述烧成的温度制度是:先升温至89(T900°C，保温2?3小时；再升温至122(Tl270°C，保温6?9小时；然后升温至在142(Tl460°C，保温6?9小时。
[0025]本实施例制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料经检测:显气孔率为If 14% ；体积密度为2.72?2.80g/cm3 ;耐压强度为18(T200MPa ；1100°C _20°C水冷循环5次后的抗折强度保持率为44?48%。
[0026]实施例3
一种Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料及其制备方法。以58?65wt%的碳化硅、24?30wt%的单质硅和7?12wt%的碳为原料，外加所述原料4飞被％的改性结合剂，搅拌均匀，在压强为180^210 MPa的条件下机压成型，成型后的坯体在220°C条件下干燥24?32小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料。
[0027]本实施例所述碳为鳞片石墨和碳黑的混合物。
[0028]本实施例所述烧成的温度制度是:先升温至90(T910°C，保温f 2小时；再升温至127(Tl310°C，保温5?8小时；然后升温至在145(Tl480°C，保温5?8小时。
[0029]本实施例制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料经检测:显气孔率为14?16% ；体积密度为2.68?2.76g/cm3 ;耐压强度为185?210MPa ；1100°C _20°C水冷循环5次后的抗折强度保持率为46?50%。
[0030]实施例4
一种Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料及其制备方法。以5(T58wt%的碳化硅、28?36wt%的单质硅和8?15wt%的碳为原料，外加所述原料3?5wt%的改性结合剂，搅拌均匀，在压强为在21(T250 MPa的条件下机压成型，成型后的坯体在220°C条件下干燥32?48小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料。
[0031]本实施例所述碳为鳞片石墨、碳黑和酚醛树脂的混合物。
[0032]本实施例所述烧成的温度制度是:先升温至91(T920°C，保温广2小时，再升温至131(Tl350°C，保温4?6小时，然后升温至在146(Tl500°C，保温4?6小时。
[0033]本实施例制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料经检测:显气孔率为12?15% ；体积密度为2.70?2.78g/cm3 ;耐压强度为190?220MPa ；1100°C _20°C水冷循环5次后的抗折强度保持率为5(Γ55%。
[0034]本【具体实施方式】与现有技术相比具有如下积极效果:
本【具体实施方式】通过控制原料组成和烧成制度，控制Si3N4的含量、SiC的成核及SiC晶须形貌和含量，制备工艺简单；所制备的相结合SiC耐火材料的所有部位均得到以Si3N4为主要结合相和以SiC晶须为增韧相，解决了现有Si3N4结合SiC材料因中心部位氮化不完全导致性能下降的问题。
[0035]本【具体实施方式】制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料经检测:显气孔率为11?18% ;体积密度为2.60?2.80g/cm3 ;耐压强度为172?220MPa ； 1100°C _20°C水冷循环5次后的抗折强度保持率为42飞5%。该材料适用于高炉和干熄焦炉。
[0036]因此，本【具体实施方式】的制备工艺简单、物相组成可控和形貌可控；所制备的Si3N4/SiCff复相结合SiC耐火材料具有优异的抗热震性，解决了现有Si3N4结合SiC材料因中心部位氮化不完全导致性能下降的问题。
【权利要求】
1.一种Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料的制备方法，其特征在于以5(T75wt%的碳化娃、18?36wt%的单质娃和2?15wt%的碳为原料,外加所述原料3?7wt%的改性结合剂,搅拌均匀，机压成型，成型后的坯体在220°C条件下干燥8?48小时；干燥后的坯体在氮气气氛中烧成，随炉自然冷却至室温，即得Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料； 所述烧成的温度制度是:先升温至89(T920°C，保温1?3小时，再升温至118(T135(TC，保温4?10小时，然后升温至在138(Γ1500?，保温4?10小时； 所述改性结合剂的制备方法是:先将45?60wt%酚醛树脂和4(T55wt%单质硅为混合料混合，再外加所述混合料12?25wt%的无水乙醇，然后在55飞5°C的水浴锅中搅拌广3小时，即得改性结合剂。
2.根据权利要求1所述的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料的制备方法，其特征在于所述碳为鳞片石墨、碳黑和酚醛树脂中的两种或三种的混合物；其中:鳞片石墨的C含量大于97wt%,粒径小于88 μ m ;碳黑的C含量大于99wt%,粒径小于60nm ;酹醒树脂的残碳率大于 35wt%。
3.根据权利要求1所述的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料的制备方法，其特征在于所述单质娃的Si含量大于98wt%,粒径小于40 μ m。
4.根据权利要求1所述的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料的制备方法，其特征在于所述机压成型的压强为120MPa?250MPa。
5.—种Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料，其特征在于所述的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料是根据权利要求f 4项中任一项所述Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料的制备方法所制备的Si3N4/SiCw复相结合SiC耐火材料。
【文档编号】C04B35/565GK104311077SQ201410540517
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】李楠, 陈俊峰, 鄢文 申请人:武汉科技大学