O復(fù)合粉體及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明具體涉及一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N2O復(fù)合粉體及其制備方法。其技術(shù)方案是：以54~87wt%的單質(zhì)硅粉和13~46wt%的碳粉為原料，外加所述原料3~6wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，機(jī)壓成型，成型后的坯體在110℃條件下干燥12~48小時(shí)；再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩桑涸?180~1280℃條件下保溫2~6小時(shí)，繼續(xù)升溫至1420~1480℃，保溫3~6小時(shí)；然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N2O復(fù)合粉體。本發(fā)明在無(wú)催化劑和經(jīng)高于硅熔點(diǎn)溫度處理制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N2O復(fù)合粉體，工藝簡(jiǎn)單；所制備的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N2O復(fù)合粉體雜質(zhì)含量低，物相含量、SiC晶須直徑和形貌可控。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳復(fù)合耐火材料領(lǐng)域。具體涉及一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]SiC作為增韌相被廣泛應(yīng)用在復(fù)合材料中，以提高材料的強(qiáng)度和韌性。而SiC晶須作為增韌相會(huì)更好錨定在其嵌入的基質(zhì)中，因此一維納米結(jié)構(gòu)的SiC (如晶須狀SiC)在復(fù)合材料中增韌作用會(huì)比顆粒狀SiC效果更明顯。
[0003]在碳復(fù)合耐火材料中，SiC —般是以Si和C為主要原料通過(guò)系列反應(yīng)形成，反應(yīng)條件、特別是燒成制度和催化劑種類(lèi)對(duì)SiC生成量和形貌的影響很大。在燒成制度影響方面，文獻(xiàn)技術(shù)(Rayisa Voytovych, et al.Reactivity between liquid Si or Si alloysand graphite.Journal of the European Ceramic Society 32 (2012) 3825 - 3835.)在研究C和硅粉的反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)高于單質(zhì)硅熔點(diǎn)的溫度處理時(shí)，SiC以顆粒狀存在。在催化劑影響方面，已有研究表明，加入一定量的催化劑(N1、Fe...)后會(huì)在局部形成固-液-氣相，盡管能有限提高SiC晶須的生成量，但會(huì)在試樣內(nèi)部殘余大量未反應(yīng)硅和碳；同時(shí)，催化劑對(duì)于耐火材料而言屬于雜質(zhì)，過(guò)多催化劑的引入，會(huì)影響耐火材料的高溫性能。
[0004]可見(jiàn)，目前關(guān)于SiC的合成及應(yīng)用存在如下問(wèn)題:(I)在低于Si熔點(diǎn)溫度下熱處理時(shí)發(fā)生固-固反應(yīng)，反應(yīng)很慢，生成SiC晶須量有限，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間則會(huì)消耗更多能源，且不能消除殘余的硅和碳，這勢(shì)必影響高溫性能；(2)在高于Si熔點(diǎn)溫度下熱處理，會(huì)生成顆粒狀SiC，對(duì)于復(fù)合材料的增韌效果并不顯著；(3)盡管單相SiC晶須能對(duì)碳復(fù)合耐火材料增韌，但相比其它非氧化物，其對(duì)提高抗渣性能不顯著。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單、在無(wú)催化劑和經(jīng)高于硅熔點(diǎn)溫度處理能制備晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的方法，所制備的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體雜質(zhì)含量低，物相含量和形貌可控。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:以54?87wt%的單質(zhì)硅粉和13?46wt%的碳粉為原料，外加所述原料3飛wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，機(jī)壓成型，成型后的坯體在110°C條件下干燥12?48小時(shí)。再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩?在118(T128(TC條件下保溫2飛小時(shí)，繼續(xù)升溫至142(T148(TC，保溫3飛小時(shí)。然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體。
[0007]其中，改性結(jié)合劑的制備方法是:先將45?60wt%酚醛樹(shù)脂和4(T55wt%單質(zhì)硅為混合料混合，外加所述混合料12?25wt%的無(wú)水乙醇，在55飛5°C的水浴鍋中攪拌I小時(shí)，即得到改性結(jié)合劑。
[0008]所述碳粉為鱗片石墨和碳黑中的一種以上；鱗片石墨的C含量大于97wt%，粒徑小于88 μ m ;碳黑的C含量大于99wt%,粒徑小于60nm。
[0009]所述單質(zhì)娃的Si含量大于97wt%,粒徑小于40 μ m。
[0010]所述酚醛樹(shù)脂的殘?zhí)悸蚀笥?5wt%。
[0011]所述成型壓強(qiáng)為50?150MPa。
[0012]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果:
本發(fā)明通過(guò)控制燒成制度控制SiC/Si3N4/Si2N20的成核及長(zhǎng)大過(guò)程，最終在高于單質(zhì)硅熔點(diǎn)溫度和無(wú)添加劑條件下合成了晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體，制備工藝簡(jiǎn)單；由于制備過(guò)程中控制了固-固反應(yīng)和固-液-氣相反應(yīng)，使得SiC/Si3N4/Si2N20的成核量和長(zhǎng)大速度都很快，故能生成大量的SiC/Si3N4/Si2N20晶須狀物質(zhì)；其中SiC晶須直徑范圍為70?480nm。
[0013]本發(fā)明制得的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合材料以晶須狀SiC、Si3N4和Si2N20為主晶相，SiC晶須平均直徑為79nm 480nm,不含殘留單質(zhì)娃和碳粉。
[0014]因此，本發(fā)明在無(wú)催化劑和經(jīng)高于硅熔點(diǎn)溫度處理制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合，工藝簡(jiǎn)單；所制備的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體雜質(zhì)含量低，物相含量、SiC晶須直徑和形貌可控。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(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。
[0016]為避免重復(fù)，先將本【具體實(shí)施方式】中的改性結(jié)合劑和原料統(tǒng)一描述如下，實(shí)施例中不再贅述:
改性結(jié)合劑的制備方法是:先將45飛0wt%酚醛樹(shù)脂和4(T55wt%單質(zhì)硅為混合料混合，外加所述混合料12?25wt%的無(wú)水乙醇，在55飛5°C的水浴鍋中攪拌1小時(shí)，即得到改性結(jié)合劑。
[0017]鱗片石墨的C含量大于97wt%，粒徑小于88 μ m ;碳黑的碳含量大于99wt%,粒徑小于 60nmo
[0018]所述單質(zhì)娃的Si含量大于97wt%，粒徑小于40 μ m。
[0019]所述酚醛樹(shù)脂的殘?zhí)悸蚀笥?5wt%。
[0020]實(shí)施例1
一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體及其制備方法。以65?76wt%的單質(zhì)硅粉和24^35wt%的鱗片石墨為原料，外加所述原料3?5wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，在壓強(qiáng)為5(T80MPa條件下機(jī)壓成型，成型后的坯體在110°C條件下干燥24?36小時(shí)。再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩?在118(Γ1200?條件下保溫4?6小時(shí)，繼續(xù)升溫至142(Tl440°C，保溫4飛小時(shí)。然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體。
[0021]采用本實(shí)施例所述技術(shù)方案，制得的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體以晶須狀SiC、Si3N4和Si2N20為主晶相，SiC晶須平均直徑為148nnT353nm，不含殘留單質(zhì)硅和碳。
[0022]實(shí)施例2
一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體及其制備方法。以54飛5被％的單質(zhì)硅粉和35?46wt%的碳黑為原料，外加所述原料4?6wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，在壓強(qiáng)為7(Tl00MPa條件下機(jī)壓成型，成型后的坯體在110°C條件下干燥12?18小時(shí)。再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩?在120(Tl23(rC條件下保溫4?6小時(shí)，繼續(xù)升溫至143(Tl450°C，保溫3飛小時(shí)。然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體。
[0023]采用本實(shí)施例所述技術(shù)方案，制得的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體以晶須狀SiC、Si3N4和Si2N2O為主晶相，SiC晶須平均直徑為79nnT269nm，不含殘留單質(zhì)硅和碳。
[0024]實(shí)施例3
一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體及其制備方法。以75?87wt%的單質(zhì)硅粉和13^25wt%的碳粉為原料，外加所述原料4?6wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，在壓強(qiáng)為9(Tl40MPa條件下機(jī)壓成型，成型后的坯體在110°C條件下干燥18?24小時(shí)。再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩?在123(Tl250°C條件下保溫3飛小時(shí)，繼續(xù)升溫至145(Tl480°C，保溫3飛小時(shí)。然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體。
[0025]本實(shí)施例所述碳粉由鱗片石墨和碳黑組成，鱗片石墨占固體碳5(T70wt%，碳黑占固體碳30?50wt%。
[0026]采用本實(shí)施例所述技術(shù)方案，制得的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體以晶須狀SiC、Si3N4和Si2N2O為主晶相，SiC晶須平均直徑為100nnT280nm，不含殘留單質(zhì)硅和碳。
[0027]實(shí)施例4
一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體及其制備方法。以65?76wt%的單質(zhì)硅粉和24?35wt%的炭黑為原料外加所述原料4?6wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，在壓強(qiáng)為12(Tl50MPa條件下機(jī)壓成型，成型后的坯體在110°C條件下干燥36?48小時(shí)。再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩?在123(T1280°C條件下保溫2飛小時(shí)，繼續(xù)升溫至146(T148(TC，保溫3飛小時(shí)。然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體。
[0028]采用本實(shí)施例所述技術(shù)方案，制得的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體以晶須狀SiC、Si3N4和Si2N2O為主晶相，SiC晶須平均直徑為240nnT480nm，不含殘留單質(zhì)硅和碳。
[0029]本【具體實(shí)施方式】通過(guò)控制燒成制度控制SiC/Si3N4/Si2N20的成核及長(zhǎng)大過(guò)程，最終在高于單質(zhì)硅熔點(diǎn)溫度和無(wú)添加劑條件下合成了晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體，制備工藝簡(jiǎn)單；由于制備過(guò)程中控制了固-固反應(yīng)和固-液-氣相反應(yīng)，使得SiC/Si3N4/Si2N20的成核量和長(zhǎng)大速度都很快，故能生成大量的SiC/Si3N4/Si2N20晶須狀物質(zhì)。
[0030]本【具體實(shí)施方式】制得的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合材料以晶須狀SiC、Si3N4和Si2N2O為主晶相，SiC晶須平均直徑為79nnT480nm，不含殘留單質(zhì)硅和碳。
[0031]因此，本【具體實(shí)施方式】在無(wú)催化劑和經(jīng)高于硅熔點(diǎn)溫度處理制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合，工藝簡(jiǎn)單；所制備的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體雜質(zhì)含量低，物相含量、SiC晶須直徑和形貌可控。
【權(quán)利要求】
1.一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于以54、7wt%的單質(zhì)硅粉和13?46wt%的碳粉為原料，外加所述原料3飛wt%的改性結(jié)合劑，攪拌均勻，機(jī)壓成型，成型后的坯體在110°C條件下干燥12?48小時(shí)；再將干燥后的坯體于埋碳?xì)夥罩袩?在118(Tl280°C條件下保溫2?6小時(shí)，繼續(xù)升溫至142(Tl480°C，保溫3?6小時(shí)；然后隨爐自然冷卻至室溫，破碎，制得晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體； 其中，改性結(jié)合劑的制備方法是:先將45?60wt%酚醛樹(shù)脂和40?55被％單質(zhì)硅為混合料混合，外加所述混合料12?25wt%的無(wú)水乙醇，在55飛5°C的水浴鍋中攪拌I小時(shí)，即得到改性結(jié)合劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于所述碳粉為鱗片石墨和碳黑中的一種以上；鱗片石墨的C含量大于97wt%,粒徑小于88 μ m ;碳黑的C含量大于99wt%,粒徑小于60nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于所述單質(zhì)娃的Si含量大于97wt%,粒徑小于40 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于所述酚醛樹(shù)脂的殘?zhí)悸蚀笥?5wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于所述成型壓強(qiáng)為5(Tl50MPa。
6.一種晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體，其特征在于所述晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體是根據(jù)權(quán)利要求Γ5項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體的制備方法所制備的晶須狀SiC/Si3N4/Si2N20復(fù)合粉體。
【文檔編號(hào)】C30B29/10GK104313678SQ201410540609
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】鄢文, 陳俊峰, 李楠 申請(qǐng)人:武漢科技大學(xué)