专利名称：用微波技术快速烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用微波技术快速反应烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，属耐火材料技术领域。
背景技术：
氮化硅结合碳化硅是一种广泛应用于金属冶炼和铸造，陶瓷等高温窑炉中的窑具，各类垃圾焚烧炉等高温设备中的新型非氧化物耐火材料。相对传统氧化物耐火材料比较，具有技术含量高、市场需求大等特点。
迄今为止，国内外对氮化硅结合碳化硅耐火材料的配方和烧结工艺进行了大量的研究和开发工作。已经得到广泛的应用。但是目前生产所选用的烧结技术主要采用硅钼棒，硅碳棒等电阻发热元件间接辐射加热，或利用天燃气等燃料燃烧并与制品隔离间接加热方式。
以往的反应烧结方式存在烧结周期长(一般实验室或工业生产往往需要一个星期)，能耗大，热效率低等缺点。同时，传统烧结方式下，由于毛坯表面优先被加热反应形成致密的氮化硅结合碳化硅，而毛坯内部依靠缓慢的气体扩散反应因此制品的内外质量不容易控制，特别是对于厚度较大的部件很难保证内外成分，组织结构和性能的均一性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用微波技术进行反应烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，该方法可以实现快速升温、毛坯内外同时均匀加热，整体氮化反应均匀充分、能源利用效率高、产品品质好、制造低成本。
本发明提出的用微波技术进行烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，包括以下各步骤(1)原料选用碳化硅粉体、硅粉、有机粘结剂，所述有机粘结剂为木质素磺酸钙或甲基纤维素或黄糊精中的任何一种；(2)将上述碳化硅按照质量百分比90wt％～70wt％，硅粉按照质量百分比10wt％～30wt％，质量百分比不大于3wt％粘结剂，加适量水湿法充分搅拌混合；(3)将上述混合料成型制成毛坯；(4)将毛坯在空气气氛下干燥，温度不超过100℃，升温速度不大于50℃/分钟，保温时间1～64小时；
(5)在300～500℃温度范围内，空气气氛下进行脱脂、除碳，升温速度不大于50℃/分钟，温度保持时间1～10小时；(6)将上述经过脱脂除碳后的毛坯放入微波烧结炉中，通入氮气烧结，反应和烧结设备采用频率为900～3000兆赫兹(MHz)的工业微波源；(7)将毛坯在氮气气氛下由室温升温至1000～1200℃，在1000～1200℃温度范围内保持温度1～10小时，升温速度控制在10～50℃/分钟，然后将温度升至1350～1450℃温度范围内保持温度1～10小时，升温速度控制在10～50℃/分钟，然后自然冷却至室温，即得抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。
在上述方法中，步骤(4)所述的干燥方法采用利用微波或电加热或其他的加热手段。
在上述方法中，所述步骤(6)采用氧化铝纤维板或氧化铝空心球砖或多孔氧化铝砖作为烧结过程的保温材料。
按照上述方法制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料氮化硅含量为10～30质量百分比，碳化硅含量为70～90质量百分比。
利用本发明的方法可以显著提高氮化硅结合碳化硅耐火材料制品的品质和各种理化及机械和高温性能，所得到的氮化硅结合碳化硅耐火材料，其容重为2.65～2.80g/cm3，抗压强度大于250MPa，抗弯强度(或抗折强度)大于60MPa，气孔率小于15％。本方法还可缩短生产周期，提高生产效率，降低能耗，降低成本，提高产品的市场竞争力。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明的方法做进一步说明碳化硅材料的热容相对较小，微波吸收好。本技术采用的频率范围为900～3000兆赫兹的工业微波发生器作为反应和烧结的微波源，该频率段的微波在烧结材料中的穿透能力强。氮化硅结合碳化硅材料中的原料硅的氮化反应所需能量来源于微波与碳化硅的相互作用，因此反应烧结过程中毛坯内部的均匀发热、均匀反应和烧结。同时，微波场与硅粉相互作用可以促进硅粉氮化反应和物质扩散，能源利用率高。因此利用微波技术进行反应烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料可以达到快速、高效、高品质和低成本的目标。
实施例一、(1)原料选用纯度为质量百分比大于95wt％，粒径分布为1μm～2mm，颗粒粒度按照一定级配的碳化硅粉体；硅粉粒度分布为0.1～50μm，纯度为质量百分比99wt％；选择木质素磺酸钙作为粘结剂，纯度为质量百分比98wt％。
(2)将上述碳化硅粉体按照质量百分比90wt％，硅粉按照质量百分比8wt％，粘结剂添加量按照质量百分比2wt％，添加适量水，湿法充分机械搅拌混合。
(1)上述混合料采用振动压力成型制成一定形状的毛坯。
(2)将毛坯在空气气氛下加热干燥24小时、温度不超过100℃，加热采用电阻丝加热，升温速度为2℃/分钟。然后在脱脂炉内以5℃/分钟升温速度至300℃，保温3小时，在空气气氛中进行脱脂。然后升温以5℃/分钟速度升温至500℃，保温2小时，空气气氛中除碳。加热方式为电阻丝加热。
(3)将上述经过脱脂除碳后的毛坯放入频率为900兆赫兹(MHz)的微波烧结炉中，通入氮气(纯度99.9％以上)，在氮气气氛下升温至1200℃，升温速度控制在20℃/分钟，在1200℃保持温度2小时，然后将温度升至1350℃温度保持温度1小时，升温速度控制在40℃/分钟，然后自然冷却至室温。
(4)得到容重为2.75g/cm3，抗压强度301MPa，抗弯强度(或抗折强度)75MPa，气孔率10％，抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。即得本发明的产品。
实施例二、(1)原料选用纯度为质量百分比大于95wt％，粒径分布为1μm～2mm，颗粒粒度按照一定级配的碳化硅粉体；硅粉粒度分布为0.1～50μm，纯度为质量百分比99wt％；选择木质素磺酸钙作为粘结剂，纯度为质量百分比98wt％。
(2)将上述碳化硅粉体按照质量百分比85wt％，硅粉按照质量百分比13wt％，粘结剂添加量按照质量百分比2wt％，适量水，湿法充分机械搅拌混合。
(3)将上述混合料采用振动压力成型制成一定形状的毛坯。
(4)将毛坯在空气气氛下加热干燥24小时、温度不超过100℃，加热采用电阻丝加热，升温速度为2℃/分钟。然后在脱脂炉内以5℃/分钟速度升温至300℃，保温3小时，在空气气氛中进行脱脂。然后以5℃/分钟速度升温至500℃，保温2小时，空气气氛中除碳。加热方式为电阻丝加热。
(5)将上述经过脱脂除碳后的毛坯放入频率为2450兆赫兹(MHz)的微波烧结炉内，通入氮气(纯度99.9％以上)，在氮气气氛下升温至1000℃，升温速度控制在20℃/分钟，在1000℃保持温度2小时，然后将温度升至1450℃温度保持温度1小时，升温速度控制在20℃/分钟，然后自然冷却至室温。
(6)得到容重为2.70g/cm3，抗压强度310MPa，抗弯强度(或抗折强度)73MPa，气孔率14％，抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。即得本发明的产品。
实施例三、(1)原料选用纯度为质量百分比大于95wt％，粒径分布为1μm～2mm，颗粒粒度按照一定级配的碳化硅粉体；硅粉粒度分布为0.1～50μm，纯度为质量百分比99wt％；选择木质素磺酸钙作为粘结剂，纯度为质量百分比98wt％。
(2)将上述碳化硅粉体按照质量百分比80wt％，硅粉按照质量百分比18wt％，粘结剂添加量按照质量百分比2wt％，适量水，湿法充分机械搅拌混合。
(3)将上述混合料采用振动压力成型制成一定形状的毛坯。
(4)将毛坯在空气气氛下加热干燥24小时、温度不超过100℃，加热采用电阻丝加热，升温速度为2℃/分钟。然后在脱脂炉内以5℃/分钟速度升温至300℃，保温3小时，在空气气氛中进行脱脂。然后以5℃/分钟速度升温至500℃，保温2小时，空气气氛中除碳。加热方式为电阻丝加热。
(5)将上述经过脱脂除碳后的毛坯放入频率为3000兆赫兹(MHz)的微波烧结炉内，通入氮气(纯度99.9％以上)，在氮气气氛下升温至1100℃，升温速度控制在20℃/分钟，在1100℃保持温度2小时，然后将温度升至1400℃温度保持温度1小时，升温速度控制在20℃/分钟，然后自然冷却至室温。
(6)得到容重为2.75g/cm3，抗压强度315MPa，抗弯强度(或抗折强度)74MPa，气孔率10％，抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。即得本发明的产品。
实施例四、(1)原料选用纯度为质量百分比大于95wt％，粒径分布为1μm～2mm，颗粒粒度按照一定级配的碳化硅粉体；硅粉粒度分布为0.1～50μm，纯度为质量百分比99wt％；选择黄糊精作为粘结剂，纯度为质量百分比98wt％。
(3)将上述碳化硅粉体按照质量百分比75wt％，硅粉按照质量百分比23wt％，粘结剂添加量按照质量百分比2wt％，适量水，湿法充分机械搅拌混合。
(4)将上述混合料采用振动压力成型制成一定形状的毛坯。
(5)将毛坯在空气气氛下加热干燥24小时、温度不超过100℃，加热采用微波或电阻加热或燃气等其他方式，升温速度为2℃/分钟。
(6)将上述经过烘干后的毛坯在频率为2450兆赫兹(MHz)的微波烧结炉内，空气气氛中升温至300℃，保温3小时，进行脱脂，升温速度为5℃/分钟。然后以5℃/分钟速度升温至500℃，保温2小时，除碳。然后将炉内气氛置换为氮气(纯度99.9％以上)，在氮气气氛下升温至1200℃，升温速度控制在20℃/分钟，在1200℃保持温度2小时，然后将温度升至1400℃温度保持温度1小时，升温速度控制在20℃/分钟，然后自然冷却至室温。
(6)得到容重为2.77g/cm3，抗压强度332MPa，抗弯强度(或抗折强度)76MPa，气孔率13％，抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。即得本发明的产品。
实施例五、(1)原料选用纯度为质量百分比大于95wt％，粒径分布为1μm～2mm，颗粒粒度按照一定级配的碳化硅粉体；硅粉粒度分布为0.1～50μm，纯度为质量百分比99wt％；选择甲基纤维素作为粘结剂，纯度为质量百分比98wt％。
(2)将上述碳化硅粉体按照质量百分比70wt％，硅粉按照质量百分比28wt％，粘结剂添加量按照质量百分比2wt％，适量水，湿法充分机械搅拌混合。
(3)将上述混合料采用振动压力成型制成一定形状的毛坯。
(4)将毛坯在空气气氛下加热干燥24小时、温度不超过100℃，加热采用微波或电阻加热或燃气等其他方式，升温速度为2℃/分钟。
(5)将上述经过烘干后的毛坯在频率为2450兆赫兹(MHz)的微波烧结炉内，空气气氛中升温至300℃，保温3小时，进行脱脂，升温速度为5℃/分钟。然后以5℃/分钟速度升温至500℃，保温2小时，除碳。然后将炉内气氛置换为氮气(纯度99.9％以上)，在氮气气氛下升温至1200℃，升温速度控制在20℃/分钟，在1200℃保持温度2小时，然后将温度升至1400℃温度保持温度2小时，升温速度控制在20℃/分钟，然后自然冷却至室温。
(6)得到容重为2.78g/cm3，抗压强度300MPa，抗弯强度(或抗折强度)75MPa，气孔率13％，抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。即得本发明的产品。
权利要求
1.用微波技术快速烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，其特征在于所述方法利用微波作为能源进行氮化硅结合碳化硅耐火材料的快速反应烧结，包括以下各步骤(1)原料选用碳化硅粉体、硅粉、有机粘结剂，所述有机粘结剂为木质素磺酸钙或甲基纤维素或黄糊精中的任何一种；(2)将上述碳化硅按照质量百分比90wt％～70wt％，硅粉按照质量百分比10wt％～30wt％，质量百分比不大于3wt％粘结剂，加适量水湿法充分搅拌混合；(3)将上述混合料成型制成毛坯；(4)将毛坯在空气气氛下干燥，温度不超过100℃，升温速度不大于50℃/分钟；(5)在300～500℃温度范围内，空气气氛下对步骤(4)的坯体进行脱脂、除碳，升温速度不大于50℃/分钟，温度保持时间1～10小时；(6)将上述经过脱脂除碳后的毛坯放入微波烧结炉中，通入氮气烧结，反应和烧结设备采用频率为900～3000兆赫兹(MHz)的工业微波源；(7)将步骤(6)的坯体在氮气气氛下由室温升温至1000～1200℃，在1000～1200℃温度范围内保持温度1～10小时，升温速度控制在10～50℃/分钟，然后将温度升至1350～1450℃温度范围内保持温度1～10小时，升温速度控制在10～50℃/分钟，然后自然冷却至室温，即得抗热震性能良好的氮化硅结合碳化硅耐火材料。
2.根据权利要求1所述的用微波技术快速烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，其特征在于步骤(4)所述的干燥方法采用利用微波或电加热或其他的加热手段。
3.根据权利要求1所述的用微波技术快速烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，其特征在于所述步骤(6)采用氧化铝纤维板或氧化铝空心球砖或多孔氧化铝砖作为烧结过程的保温材料。
4.根据权利要求1所述方法制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料氮化硅含量为10～30质量百分比，碳化硅含量为70～90质量百分比。
全文摘要
本发明涉及属于耐火材料领域的用微波技术快速烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的方法，利用微波对材料的快速均匀加热原理和对微波场对氮化反应的促进效果，将混合均匀的碳化硅和硅粉和少量有机粘结剂通过压力成型成毛坯，经过烘干和预脱脂处理，在氮气气氛下，利用频率为900～3000兆赫兹的工业微波源产生的微波将毛坯加热至1100～1500℃下进行氮化反应和烧结致密化，自然冷却至室温，得到容重为2.65～2.80g/cm
文档编号C04B35/565GK1609057SQ20041000979
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月12日 优先权日2004年11月12日
发明者潘伟, 彭虎, 张晓东, 黄朝晖, 齐龙浩 申请人:清华大学, 长沙隆泰科技有限公司