[發(fā)明專(zhuān)利]利用工業(yè)廢渣原位合成賽隆復(fù)相材料的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 01144655.2
• 申請(qǐng)日: 2001-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN1363535A
• 公開(kāi)（公告）日: 2002-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐利華;董桂文;錢(qián)揚(yáng)保;董桂強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 徐利華;董桂文;錢(qián)揚(yáng)保;董桂強(qiáng)
• 主分類(lèi)號(hào): C04B35/584
• 分類(lèi)號(hào): C04B35/584;C04B18/04;C04B35/64
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• 代理人: 暫無(wú)信息

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本發(fā)明屬于反應(yīng)燒結(jié)新型氧氮化物材料的低成本制備。

??????????????????????背景技術(shù)

賽隆(Sialon)材料是以Si₃N₄為基并含Si、Al、O、N元素的固溶體，它是近三十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高性能工程陶瓷材料。與傳統(tǒng)氧化物結(jié)構(gòu)材料相比，該材料綜合性能十分優(yōu)越，其中包括機(jī)械性能(高強(qiáng)度，高硬度，高韌性，高耐磨等)，熱學(xué)性能(耐高溫，抗熱沖擊等)，物理性能(密度小，膨脹系數(shù)低)和化學(xué)性能(耐腐蝕，耐沖刷等)。由于它是目前結(jié)構(gòu)工程材料的精華，有著廣泛的應(yīng)用前景，為此在國(guó)際材料研究的大舞臺(tái)中也占據(jù)重要的一席之地。最近在國(guó)際期刊級(jí)別最高的《NATURE》上也有相應(yīng)的報(bào)道，并對(duì)它應(yīng)用前景給予了極高的評(píng)價(jià)。

早期制備賽隆粉體的方法是先合成Si₃N₄和AlN粉末，依據(jù)Si-Al-O-N相圖，摻雜SiO₂和Al₂O₃，按比例混合后在高溫下經(jīng)固相反應(yīng)而生成。該法的基本特點(diǎn)是制備過(guò)程復(fù)雜、原料成本極高，難以推廣應(yīng)用。之后又發(fā)展了以金屬Si、Al及其氧化物作為起始原料，反應(yīng)燒結(jié)合成賽隆，但又存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、合成溫度高所引起的一系列技術(shù)-經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題。

為降低賽隆的生產(chǎn)成本，美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家分別采用粘土、稻殼和含炭泥巖等廉價(jià)資源，采用碳熱還原氮化(CRN)技術(shù)來(lái)合成賽隆粉末，進(jìn)行了許多研究，品種也十分豐富，如O’形賽隆，β形賽隆，鈣α賽隆，釔α賽隆以及各式阿隆族材質(zhì)，如鎂阿隆，釩阿隆等。研究所涉及的天然粘土類(lèi)礦物資源種類(lèi)也十分繁多，如高嶺土、鋁礬土、葉蠟石、紅柱石、硅線石、鋯英石等。但大部分研究成果只局限于實(shí)驗(yàn)室階段。當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)實(shí)用化生產(chǎn)所存在的關(guān)鍵問(wèn)題仍然是制備工藝的難點(diǎn)。

關(guān)于賽隆粉體的合成，目前主要采用傳統(tǒng)電加熱方式。但由于燒結(jié)氮化過(guò)程中，單位制品能耗較高，且生產(chǎn)能力有限，從而基本上制約了該項(xiàng)技術(shù)規(guī)模生產(chǎn)和普及應(yīng)用。若以提高爐體加熱容積的方式，來(lái)增加制品裝載量(可適當(dāng)降低單位制品能耗)，所遇到的問(wèn)題又表現(xiàn)在爐內(nèi)溫度場(chǎng)的非均勻分布(導(dǎo)致材料的廢品率急劇上升)，導(dǎo)致某些區(qū)域存在未充分氮化反應(yīng)現(xiàn)象，其原因在于部分區(qū)域由于堆積局部阻力大而引起氮?dú)夥植疾痪鶆颍驕囟绕偷取?/p>

其二，該電爐氮化技術(shù)還存在缺乏有效的電加熱棒材料問(wèn)題，如普通的炭化硅加熱棒，最高燒結(jié)溫度只有1350℃，與制品完全反應(yīng)燒結(jié)成賽隆(1400～1600℃)尚有差距。雖改善工藝可實(shí)現(xiàn)賽隆材質(zhì)的低溫?zé)Y(jié)，但長(zhǎng)時(shí)間的保溫勢(shì)必導(dǎo)致單位制品能耗的提高；改用中高溫加熱棒-硅鉬棒加熱(1650℃左右)，爐體中的N₂、反應(yīng)燒結(jié)所釋放的CO，以及由于空氣中氧氣的滲漏，與高溫加熱棒反應(yīng)使之快速失效，嚴(yán)重影響其使用壽命；若采用超高溫(可達(dá)2000℃以上)石墨碳棒作發(fā)熱體，由于容積較大的爐體中勢(shì)必存在密封不良的部位，空氣中氧氣的滲漏也是在所難免，由于碳質(zhì)材料對(duì)氧化性氣體的抵抗能力差，易氧化(400℃被氧氣氧化，500℃與水蒸氣作用，700℃與二氧化碳作用)，隨著高溫氧化反應(yīng)進(jìn)行，發(fā)熱體因阻值的變化而導(dǎo)致加熱工藝難于控制。

其三，目前該電爐氮化技術(shù)所制得的主導(dǎo)產(chǎn)品，仍然是賽隆粉體，而不是賽隆制品(如耐火磚，陶瓷片等)。最大原因在于燒結(jié)體內(nèi)部因還原劑碳經(jīng)碳熱還原反應(yīng)后造成大量氣孔以及保留部分殘余碳。為解決殘余碳問(wèn)題，多數(shù)采用延長(zhǎng)氮化時(shí)間措施，但無(wú)疑又增加了額外的生產(chǎn)費(fèi)用。

綜上所述，傳統(tǒng)電加熱CRN技術(shù)生產(chǎn)賽隆材料存在如下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)產(chǎn)品生產(chǎn)成本高(能耗高)；(2)生產(chǎn)能力偏低(受熱面積有限)；(3)產(chǎn)品質(zhì)量較差(非勻溫場(chǎng)，殘余碳等)；(4)工藝制度難于調(diào)整(加熱棒問(wèn)題等)；(5)產(chǎn)品類(lèi)型受限(局限于粉體材料)。因此該技術(shù)在其發(fā)明后二十多年來(lái)，都難于在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。根據(jù)中國(guó)專(zhuān)利查新報(bào)告結(jié)果來(lái)看，自85年至今，以賽隆為關(guān)鍵詞作檢索的申報(bào)專(zhuān)利共有7篇，其中以碳熱還原技術(shù)研制賽隆材料僅2篇(申請(qǐng)?zhí)?3102907，00105941)。但所報(bào)道仍為傳統(tǒng)電加熱CRN法，所采用的原料為粘土和泥砂天然礦物，研究水平也局限于實(shí)驗(yàn)室階段。

發(fā)明內(nèi)容