一种Al4SiC4‑Al4O4C复合材料及其制备方法与流程

本发明属于三元碳化物技术领域。尤其涉及一种Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料及其制备方法。

背景技术：

Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料具有低密度、耐高温、良好的抗氧化和优异的抗水化性能的特点，在耐火材料领域显现出极好的应用前景。在反应合成Al-C-Si三元碳化物的过程中伴随有中间产物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的高温稳定性能优异，同时具有优秀的抗水化与抗氧化能力，相对于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、热膨胀系数小和力学性能良好等优势。但由于Al₄SiC₄材料主要由Al₄C₃与SiC合成制备(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.)，原料价格昂贵，限制了该材料的工业化应用。

Al₄O₄C同样具有良好的高温稳定性能以及优秀的抗水化、抗氧化等性能，目前合成Al₄O₄C材料主要由氧化铝粉和碳粉(赵建立,汪长安,孙加林,等.Al₄O₄C的碳热还原合成及其反应动力学[J].硅酸盐学报,2010,7:1292-1296.)或者由氧化铝粉、碳粉及铝粉(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，但均不能制备出单相的Al₄O₄C粉体。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低和适于工业化生产的Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料的制备方法；用该方法制备的Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料纯度高和晶体形貌好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：以17～26wt％的铝粉、14～19wt％的二氧化硅粉和56～68wt％的碳源为原料，外加所述原料3～7wt％的结合剂，混合均匀，烘干，得到混合料；将所述混合料机压成型，置入高温碳管炉内，在氩气氛和1300℃～1900℃条件下保温1～10h，自然冷却，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料。

所述碳源为石墨、炭黑和焦炭中的一种。

所述铝粉的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。

所述结合剂为酚醛树脂、水玻璃、硫酸铝中的一种。

所述机压成型的压强为10Mpa～40Mpa。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

①本发明以碳源作为还原剂，反应过程中碳源对金属氧化物的还原作用是通过生成一氧化碳来完成。由于碳和氧的化学亲和力与反应温度成正比，反应温度在1300℃以上时碳源几乎可以还原任何氧化物，相对于单质原料的高成本，碳源和金属氧化物的成本低，同时碳源来源广泛。故本发明采用碳还原法制备Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料，工艺简单且成本较低。

②本发明制备的复合粉体晶体形貌好，部分Al₄SiC₄与Al₄O₄C晶粒交错生长，有利于提高材料的韧性；所制制品主要分布着多面体颗粒和片状小颗粒，晶粒表面平滑，多面体颗粒和片状小颗粒交错生长，其中部分片状小颗粒从多面体晶粒内部向外发育生长。本发明制备的复合粉体材料只有Al₄SiC₄和Al₄O₄C两种物质，纯度较高。

因此，本发明具有成本低和适于工业化生产的特点，制备的Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料纯度高晶体形貌好。

附图说明

图1为本发明制备的一种Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料的XRD图谱；

图2为图1所示Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料的SEM图片。

具体实施方式

现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。

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述铝粉的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。

实施例1

一种Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料及其制备方法。以17～20wt％的铝粉、14～17wt％的二氧化硅粉和64～68wt％的碳源为原料，外加所述原料3～5wt％的结合剂，混合均匀，烘干，得到混合料；将所述混合料机压成型，置入高温碳管炉内，在氩气氛和1300℃～1500℃条件下保温7～10h，自然冷却，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料。

本实施例中：所述碳源为石墨；所述结合剂为酚醛树脂；所述机压成型的压强为10～20Mpa。

实施例2

一种Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料及其制备方法。以20～23wt％的铝粉、15～18wt％的二氧化硅粉和60～64wt％的碳源为原料，外加所述原料4～6wt％的结合剂，混合均匀，烘干，得到混合料；将所述混合料机压成型，置入高温碳管炉内，在氩气氛和1500℃～1700℃条件下保温4～7h，自然冷却，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料。

本实施例中：所述碳源为焦炭；所述结合剂为水玻璃；所述机压成型的压强为20～30Mpa。

实施例3

一种Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料及其制备方法。以23～26wt％的铝粉、16～19wt％的二氧化硅粉和56～60wt％的碳源为原料，外加所述原料5～7wt％的结合剂，混合均匀，烘干，得到混合料；将所述混合料机压成型，置入高温碳管炉内，在氩气氛和1700℃～1900℃条件下保温1～4h，自然冷却，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料。

本实施例中：所述碳源为炭黑；所述结合剂为硫酸铝；所述机压成型的压强为30～40Mpa。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

①本发明以碳源作为还原剂，反应过程中碳源对金属氧化物的还原作用是通过生成一氧化碳来完成。由于碳和氧的化学亲和力与反应温度成正比，反应温度在1300℃以上的情况下碳源几乎可以还原任何氧化物。相对于单质原料的高成本，碳源和金属氧化物的成本较低，同时碳源来源广泛。故本发明采用碳还原法制备Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料，工艺简单且成本较低。

②图1为实施例2制备的一种Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料的XRD图谱；图2为图1所示Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料的SEM图片。由图1可看出：制品仅有Al₄SiC₄与Al₄O₄C对应的衍射峰，没有其他物相对应的衍射峰；制备出的粉体晶体形貌好，部分Al₄SiC₄与Al₄O₄C晶粒交错生长，有利于提高材料的韧性。由图2可看出：制品主要分布着多面体颗粒和片状小颗粒，晶粒表面平滑，多面体颗粒和片状小颗粒交错生长，其中部分片状小颗粒从多面体晶粒内部向外发育生长。故本具体实施方式制备的Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合粉体材料形貌好和纯度高，制备的Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合粉体材料只有Al₄SiC₄和Al₄O₄C两种物质。

因此，本发明具有成本低和适于工业化生产的特点，制备的Al₄SiC₄-Al₄O₄C复合材料纯度高晶体形貌好。