本發(fā)明屬于三元碳化物技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料具有低密度、耐高溫、良好的抗氧化和優(yōu)異的抗水化性能的特點(diǎn)，在耐火材料領(lǐng)域顯現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。在反應(yīng)合成Al-C-Si三元碳化物的過程中伴隨有中間產(chǎn)物Al-C-O三元碳化物生成(Yu C,Zhu H,Yuan W,et al.Synthesis and oxidation behavior of Al₄SiC₄-Al-Si composites[J].International Journal of Materials Research,2014,105(8):793-796.Yu C,Yuan W,Deng C,et al.Synthesis of hexagonal plate-like Al₄SiC₄from calcined bauxite,silica and carbon black[J].Powder Technology,2013,247:76-80.)。

Al₄SiC₄的高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異，同時(shí)具有優(yōu)秀的抗水化與抗氧化能力，相對(duì)于Ti₃SiC₂碳化物和Ti₃AlC₂碳化物(Huang X,Wen G.Mechanical properties of Al₄SiC₄bulk ceramics produced by solid state reaction[J].Ceramics International,2007,33(3):453-458.)，Al₄SiC₄材料具有密度低、熱膨脹系數(shù)小和力學(xué)性能良好等優(yōu)勢(shì)。但由于Al₄SiC₄材料主要由Al₄C₃與SiC合成制備(Inoue Z,Inomata Y,Tanaka H,et al.X-ray crystallographic data on aluminum silicon carbide,α-Al₄SiC₄and Al₄Si₂C₅[J].Journal of Materials Science,1980,15(3):575-580.)，原料價(jià)格昂貴，限制了該材料的工業(yè)化應(yīng)用。

Al₄O₄C同樣具有良好的高溫穩(wěn)定性能以及優(yōu)秀的抗水化、抗氧化等性能，目前合成Al₄O₄C材料主要由氧化鋁粉和碳粉(趙建立,汪長(zhǎng)安,孫加林,等.Al₄O₄C的碳熱還原合成及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2010,7:1292-1296.)或者由氧化鋁粉、碳粉及鋁粉(Zhang S,Yamaguchi A.Hydration resistances and reactions with CO of Al₄O₄C and Al₂OC formed in carbon-containing refractories with Al[J].Journal of the Ceramic Society of Japan,1996,104(3):393-398.)合成，但均不能制備出單相的Al₄O₄C粉體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種成本低和適于工業(yè)化生產(chǎn)的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料的制備方法；用該方法制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料純度高和晶體形貌好。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：以17～26wt％的鋁粉、14～19wt％的二氧化硅粉和56～68wt％的碳源為原料，外加所述原料3～7wt％的結(jié)合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機(jī)壓成型，置入高溫碳管爐內(nèi)，在氬氣氛和1300℃～1900℃條件下保溫1～10h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料。

所述碳源為石墨、炭黑和焦炭中的一種。

所述鋁粉的Al含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述二氧化硅粉的SiO₂含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述碳源的C含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述結(jié)合劑為酚醛樹脂、水玻璃、硫酸鋁中的一種。

所述機(jī)壓成型的壓強(qiáng)為10Mpa～40Mpa。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①本發(fā)明以碳源作為還原劑，反應(yīng)過程中碳源對(duì)金屬氧化物的還原作用是通過生成一氧化碳來完成。由于碳和氧的化學(xué)親和力與反應(yīng)溫度成正比，反應(yīng)溫度在1300℃以上時(shí)碳源幾乎可以還原任何氧化物，相對(duì)于單質(zhì)原料的高成本，碳源和金屬氧化物的成本低，同時(shí)碳源來源廣泛。故本發(fā)明采用碳還原法制備Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料，工藝簡(jiǎn)單且成本較低。

②本發(fā)明制備的復(fù)合粉體晶體形貌好，部分Al₄SiC₄與Al₄O₄C晶粒交錯(cuò)生長(zhǎng)，有利于提高材料的韌性；所制制品主要分布著多面體顆粒和片狀小顆粒，晶粒表面平滑，多面體顆粒和片狀小顆粒交錯(cuò)生長(zhǎng)，其中部分片狀小顆粒從多面體晶粒內(nèi)部向外發(fā)育生長(zhǎng)。本發(fā)明制備的復(fù)合粉體材料只有Al₄SiC₄和Al₄O₄C兩種物質(zhì)，純度較高。

因此，本發(fā)明具有成本低和適于工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料純度高晶體形貌好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料的XRD圖譜；

圖2為圖1所示Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料的SEM圖片。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。

為避免重復(fù)，先將本具體實(shí)施方式所涉及的原料統(tǒng)一描述如下，實(shí)施例中不再贅述：

所述鋁粉的Al含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述二氧化硅粉的SiO₂含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述碳源的C含量≥98wt％，粒度≤200μm。

實(shí)施例1

一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料及其制備方法。以17～20wt％的鋁粉、14～17wt％的二氧化硅粉和64～68wt％的碳源為原料，外加所述原料3～5wt％的結(jié)合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機(jī)壓成型，置入高溫碳管爐內(nèi)，在氬氣氛和1300℃～1500℃條件下保溫7～10h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料。

本實(shí)施例中：所述碳源為石墨；所述結(jié)合劑為酚醛樹脂；所述機(jī)壓成型的壓強(qiáng)為10～20Mpa。

實(shí)施例2

一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料及其制備方法。以20～23wt％的鋁粉、15～18wt％的二氧化硅粉和60～64wt％的碳源為原料，外加所述原料4～6wt％的結(jié)合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機(jī)壓成型，置入高溫碳管爐內(nèi)，在氬氣氛和1500℃～1700℃條件下保溫4～7h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料。

本實(shí)施例中：所述碳源為焦炭；所述結(jié)合劑為水玻璃；所述機(jī)壓成型的壓強(qiáng)為20～30Mpa。

實(shí)施例3

一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料及其制備方法。以23～26wt％的鋁粉、16～19wt％的二氧化硅粉和56～60wt％的碳源為原料，外加所述原料5～7wt％的結(jié)合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機(jī)壓成型，置入高溫碳管爐內(nèi)，在氬氣氛和1700℃～1900℃條件下保溫1～4h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料。

本實(shí)施例中：所述碳源為炭黑；所述結(jié)合劑為硫酸鋁；所述機(jī)壓成型的壓強(qiáng)為30～40Mpa。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①本發(fā)明以碳源作為還原劑，反應(yīng)過程中碳源對(duì)金屬氧化物的還原作用是通過生成一氧化碳來完成。由于碳和氧的化學(xué)親和力與反應(yīng)溫度成正比，反應(yīng)溫度在1300℃以上的情況下碳源幾乎可以還原任何氧化物。相對(duì)于單質(zhì)原料的高成本，碳源和金屬氧化物的成本較低，同時(shí)碳源來源廣泛。故本發(fā)明采用碳還原法制備Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料，工藝簡(jiǎn)單且成本較低。

②圖1為實(shí)施例2制備的一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料的XRD圖譜；圖2為圖1所示Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料的SEM圖片。由圖1可看出：制品僅有Al₄SiC₄與Al₄O₄C對(duì)應(yīng)的衍射峰，沒有其他物相對(duì)應(yīng)的衍射峰；制備出的粉體晶體形貌好，部分Al₄SiC₄與Al₄O₄C晶粒交錯(cuò)生長(zhǎng)，有利于提高材料的韌性。由圖2可看出：制品主要分布著多面體顆粒和片狀小顆粒，晶粒表面平滑，多面體顆粒和片狀小顆粒交錯(cuò)生長(zhǎng)，其中部分片狀小顆粒從多面體晶粒內(nèi)部向外發(fā)育生長(zhǎng)。故本具體實(shí)施方式制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合粉體材料形貌好和純度高，制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合粉體材料只有Al₄SiC₄和Al₄O₄C兩種物質(zhì)。

因此，本發(fā)明具有成本低和適于工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復(fù)合材料純度高晶體形貌好。