專利名稱：β′－Sialon晶須的氣相反應(yīng)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及β′-Sialon晶須的氣相反應(yīng)制備方法。
背景技術(shù)：
Sialon陶瓷以其出色的機械性能、熱物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性被認為是最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷之一，在冶金、宇航、交通運輸、化工機械、建材、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Sialon陶瓷多以純氮化物和氧化物通過反應(yīng)燒結(jié)法制備或以天然硅鋁酸鹽礦物為原料，采用碳熱還原氮化法制備，但采用上述方法制備的材料均為塊體Sialon陶瓷或Sialon粉末。Sialon陶瓷與其它陶瓷材料一樣，脆性是其一個致命弱點，一旦產(chǎn)生裂紋就很容易擴展，導(dǎo)致災(zāi)難性斷裂。為了提高陶瓷材料的韌性，國內(nèi)外學(xué)者們在這方面做了大量的研究工作，如采用顆粒彌散增韌、相變增韌、纖維或晶須補強增韌。其中，晶須補強增韌的效果最佳。β′-Sialon晶須的性能與β-Si3N4晶須類似，具有高強度、高模量、耐高溫及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種優(yōu)良的陶瓷材料的補強增韌劑，可對Sialon陶瓷及其它陶瓷材料起到良好的補強增韌作用。迄今為止，國內(nèi)外還鮮有關(guān)于Sialon晶須制備方面的報道，更未見采用氣相反應(yīng)法制備β′-Sialon晶須的任何報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有β′-Sialon陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種β′-Sialon晶須的氣相反應(yīng)制備方法。
本發(fā)明以硅灰、高鋁礬土和碳黑為原料，通過球磨、過篩、配料、濕混、干燥、干混、高溫氣相合成工藝合成β′-Sialon晶須，具體工藝步驟如下(1)球磨對原料進行細磨，直至原料粒度達到74μm以下；(2)過篩為保證粉末的平均粒度和粒度分布，用74μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對粒度較分散的原料粉進行篩分；(3)配料按所要制備材料的組成和配比進行配料；三種原料的質(zhì)量百分比分別為硅灰26.85～52.64％，高鋁礬土21.07～51.85％，碳黑18.76～31.15％。其中硅灰中SiO2含量按質(zhì)量百分比為82～90％、高鋁礬土中Al2O3含量按質(zhì)量百分比為79～85％，碳黑中固定碳含量按質(zhì)量百分比為95％以上。
(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進行球磨混合，濕混時間18～24小時；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于60～80℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再球磨干混4～6小時，以確?；旌狭铣浞志鶆?；
(7)高溫氣相合成將混合料裝入多孔石墨坩堝中，置于立式MoSi2高溫電阻爐。制備過程中爐內(nèi)始終連續(xù)通入流動氮氣(常壓)，氮氣流量600～1200ml/min，反應(yīng)溫度1400～1450℃，反應(yīng)時間4～10小時，升溫和降溫速度為3～5℃/min。通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al2O氣體、CO氣體與氮氣之間的氣相反應(yīng)制備β′-Sialon晶須，其反應(yīng)過程如下(1)(2)(3)本發(fā)明的產(chǎn)品β′-Sialon晶須長度為1～10mm，直徑為20～50μm，其長徑比在20～500之間，晶體結(jié)構(gòu)完整，而且具有高強度、高模量、耐高溫及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種優(yōu)良的陶瓷材料的補強增韌劑，可對Sialon陶瓷及其它陶瓷材料起到良好的補強增韌作用。
本發(fā)明的特點是利用來源廣泛，價格便宜的工業(yè)副產(chǎn)品硅灰、天然高鋁礬土礦物和碳黑為初始原料，通過氣相反應(yīng)法制備β′-Sialon晶須。本發(fā)明的方法不僅簡便易行，而且成本低廉，為β′-Sialon晶須的大量制備提供了一條新途徑，也為Sialon晶須的制備及生長機理奠定了理論和工藝基礎(chǔ)。


圖1為氣相反應(yīng)法制備的β′-Sialon晶須的SEM照片。
圖2為氣相反應(yīng)法制備的β′-Sialon晶須的XRD圖譜。
圖3為氣相反應(yīng)法制備的β′-Sialon晶須的EDS圖譜。
具體實施例方式
以下實施例采用的的工業(yè)副產(chǎn)品，硅灰來自內(nèi)蒙古鐵合金廠、天然高鋁礬土礦物來自山西陽泉地區(qū)，碳黑來自撫順石油化工公司。根據(jù)對β′-Sialon(Si6-zAlzOzN8-z，0＜z＜4.2)的固溶度及其性能的研究結(jié)果，根據(jù)產(chǎn)品z＝2、z＝3和z＝4的三種構(gòu)成，進行配料。各實施例原料配比分別按質(zhì)量百分比選自以下四種配比之一(1)硅灰為26.85wt％，高鋁礬土為47.39wt％，碳黑為25.76wt％；(2)硅灰為52.64wt％，高鋁礬土為23.21wt％，碳黑為24.15wt％；(3)硅灰為47.78wt％，高鋁礬土為21.07wt％，碳黑為31.15wt％；(4)硅灰為29.39wt％，高鋁礬土為51.85wt％，碳黑為18.76wt％。
實施例1工藝步驟如下(1)球磨對原料進行細磨，直至原料粒度達到74μm以下；(2)過篩為保證粉末的平均粒度和粒度分布，用74μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對粒度較分散的原料粉進行篩分；
(3)配料按硅灰為26.85wt％，高鋁礬土為47.39wt％，碳黑為25.76wt％的配比進行配料；(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進行球磨混合，濕混時間18小時；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于80℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再球磨干混6小時，以確?；旌狭铣浞志鶆颍?7)高溫氣相合成將混合料裝入多孔石墨坩堝中，置于立式MoSi2高溫電阻爐。制備過程中爐內(nèi)始終連續(xù)通入流動氮氣，氮氣流量1200ml/min，反應(yīng)溫度1450℃，反應(yīng)時間10小時，升溫和降溫速度均為3℃/min。通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al2O氣體、CO氣體與氮氣之間的氣相反應(yīng)制備β′-Sialon晶須。
本發(fā)明的產(chǎn)品β′-Sialon晶須長度為3～10mm，直徑為30～50μm，其長徑比在60～400之間，晶體結(jié)構(gòu)完整。
實施例2工藝步驟如下(1)球磨對原料進行細磨，直至原料粒度達到74μm以下；(2)過篩為保證粉末的平均粒度和粒度分布，用74μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對粒度較分散的原料粉進行篩分；(3)配料按硅灰為52.64wt％，高鋁礬土為23.21wt％，碳黑為24.15wt％配比進行配料；(4)濕混將配制好的混合料置于聚氨酯球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)進行球磨混合，濕混時間24小時；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于60℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再球磨干混4小時，以確?；旌狭铣浞志鶆?；(7)高溫氣相合成將混合料裝入多孔石墨坩堝中，置于立式MoSi2高溫電阻爐。制備過程中爐內(nèi)始終連續(xù)通入流動氮氣，氮氣流量600ml/min，反應(yīng)溫度1400℃，反應(yīng)時間4小時，升溫和降溫速度均為5℃/min。通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al2O氣體、CO氣體與氮氣之間的氣相反應(yīng)制備β′-Sialon晶須。
X射線檢測結(jié)果表明，產(chǎn)品β′-Sialon晶須長度為1～7mm，直徑為20～30μm，其長徑比在30～350之間，晶體結(jié)構(gòu)完整。
實施例3工藝步驟如下(1)球磨對原料進行細磨，直至原料粒度達到74μm以下；(2)過篩為保證粉末的平均粒度和粒度分布，用74μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對粒度較分散的原料粉進行篩分；
(3)配料按硅灰為47.78wt％，高鋁礬土為21.07wt％，碳黑為31.15wt％的配比進行配料；(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進行球磨混合，濕混時間20小時；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于70℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再球磨干混5小時，以確?；旌狭铣浞志鶆?；(7)高溫氣相合成將混合料裝入多孔石墨坩堝中，置于立式MoSi2高溫電阻爐。制備過程中爐內(nèi)始終連續(xù)通入流動氮氣，氮氣流量800ml/min，反應(yīng)溫度1420℃，反應(yīng)時間6小時，升溫和降溫速度均為4℃/min。通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al2O氣體、CO氣體與氮氣之間的氣相反應(yīng)制備β′-Sialon晶須。
本發(fā)明的產(chǎn)品β′-Sialon晶須長度為2～9mm，直徑為30～50μm，其長徑比在80～460之間，晶體結(jié)構(gòu)完整。
實施例4工藝步驟如下(1)球磨對原料進行細磨，直至原料粒度達到74μm以下；(2)過篩為保證粉末的平均粒度和粒度分布，用74μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對粒度較分散的原料粉進行篩分；(3)配料按硅灰為29.39wt％，高鋁礬土為51.85wt％，碳黑為18.76wt％的配比進行配料；(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進行球磨混合，濕混時間24小時；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于80℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再球磨干混6小時，以確?；旌狭铣浞志鶆?；(7)高溫氣相合成將混合料裝入多孔石墨坩堝中，置于立式MoSi2高溫電阻爐。制備過程中爐內(nèi)始終連續(xù)通入流動氮氣，氮氣流量900ml/min，反應(yīng)溫度1400℃，反應(yīng)時間8小時，升溫和降溫速度均為5℃/min。通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al2O氣體、CO氣體與氮氣之間的氣相反應(yīng)制備β′-Sialon晶須。
本發(fā)明的產(chǎn)品β′-Sialon晶須長度為3～10mm，直徑為20～40μm，其長徑比在20～350之間，晶體結(jié)構(gòu)完整。
權(quán)利要求
1.β′-Sialon晶須的氣相反應(yīng)制備方法，其特征在于以硅灰、高鋁礬土和碳黑為原料，工藝步驟如下(1)球磨對原料進行細磨，直至原料粒度達到74μm以下；(2)過篩用74μm的標(biāo)準(zhǔn)篩對粒度較分散的原料粉進行篩分；(3)配料按所要制備材料的組成和配比進行配料；(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進行球磨混合，濕混時間18～24小時；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于60～80℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再球磨干混4～6小時；(7)高溫氣相合成將混合料裝入多孔石墨坩堝中，置于立式MoSi2高溫電阻爐中，制備過程中爐內(nèi)始終連續(xù)通入流動氮氣，氮氣流量600～1200ml/min，反應(yīng)溫度1400～1450℃，反應(yīng)時間4～10小時，升溫和降溫速度為3～5℃/min，通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al2O氣體、CO氣體與氮氣之間的氣相反應(yīng)制備β′-Sialon晶須。
2.按照權(quán)利要求1所述的β′-Sialon晶須的氣相反應(yīng)制備方法，其特征在于配料按質(zhì)量百分比為硅灰26.85～52.64％，高鋁礬土21.07～51.85％，碳黑18.76～31.15％，其中硅灰SiO2含量按質(zhì)量百分比為82～90％、高鋁礬土Al2O3含量按質(zhì)量百分比為79～85％，碳黑固定碳含量按質(zhì)量百分比為95％以上。
全文摘要
β′－Sialon晶須的氣相反應(yīng)制備方法，以硅灰、高鋁礬土和碳黑為原料，球磨、過篩、配料、濕混、干燥、干混后進行高溫氣相合成爐內(nèi)連續(xù)通入流動氮氣，反應(yīng)溫度1400～1450℃，反應(yīng)時間4～10小時，升溫和降溫速度為3～5℃/min，通過還原過程中產(chǎn)生的SiO氣體、Al
文檔編號C30B29/00GK1884636SQ200610046630
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者薛向欣, 姜濤, 段培寧, 楊合, 張淑會 申請人:東北大學(xué)