一种用铁矿尾矿合成SiC/Fe_xSi_y复合材料的方法

专利名称：一种用铁矿尾矿合成SiC/Fe_xSi_y复合材料的方法
技术领域：
本发明属于陶瓷、耐火材料以及矿产固体废弃物综合利用技术领域，提供了一种 用铁矿尾矿合成SiC/FexSiy复合材料的方法，原料成本低廉，产品具有较高应用价值。
背景技术：
SiC材料具备强度高、热传导率高、耐腐蚀性强、耐冲击性好等特性，可用作各种 恶劣操作条件的窑炉内材，是一种应用范围极广的高级耐火材料。各种SiC质耐火材料都 具有优异的高温使用性能，如高温机械强度大、高温体积稳定性和热震稳定性好等，在循环 环境中长期使用几乎不变形、不开裂等。SiC基复合材料也是高温结构材料技术的制高点 之一，它的发展水平可以反映出一个国家先进航空航天器和先进武器装备的设计和制造能 力。而金属矿尾矿的危害有目共睹，每年造成的国民经济以及人民财产损失触目惊心。因 而充分利用金属矿尾矿的化学组成特点，开发SiC基复合材料有着广阔的发展前景。张淑会，薛向欣，姜涛等进行了铁矿石尾矿实验室合成碳化硅粉末的研究。在热力 学分析的基础上，以铁尾矿为主要原料，采用碳热还原法合成了 SiC粉末。初步探讨了用铁 尾矿合成SiC复合粉体的工艺过程，但并没有得到具有优良使用性能的SiC基复合材料。公开号为CN101177270的中国发明专利申请中提供了一种利用蓝晶石矿原位合 成SiC材料的方法。采集蓝晶石矿石，将矿石制成细粉，并过0. 074 μ m筛，加入粘结剂，成 型，干燥，烧成，除碳，提取SiC成分。此种方法烧成所得SiC成分比例为60% -90%，成分 波动大，且较多杂质会影响制品使用性能。公开号为CN101503295的中国发明专利申请中提供了一种α型SiC-β型SiC结 合型反应烧结SiC材料和其制备方法，通过常压或加压烧结得到α型SiC粉末，将碳粉末 与所述α型SiC粉末混合得到碳-α型SiC混合体，加热所述碳-α型SiC混合体使其成 形后，在真空高温环境下，与已调节好电阻的熔融硅反应，从而得到电阻符合于电学特性的 β型SiC材料。此方法所述的真空高温环境使得合成工艺条件要求较高，加大了生产成本。现如今，SiC基复合材料的国内外报道很多，但尚未发现利用铁矿尾矿合成SiC/ FexSiy复合材料的相关报道。

发明内容
本发明提供一种利用铁矿尾矿为原料制备SiC/FexSiy复合材料的方法，目的在于 找到一条金属矿尾矿高效利用途径，减少环境污染。一种利用铁矿尾矿合成SiC/FexSiy复合材料的方法，本发明以铁矿尾矿为主要原 料，配入碳粉为还原剂机压成型得到成份均勻坯体；尾矿、碳粉(石墨或碳黑)质量比为 1.35-2.25 1。在制备过程中通过控制配料比、烧结温度、升温制度、保温时间等工艺参 数，得到SiC/FexSiy复合粉体。然后复合粉体通过二次反应烧结制得SiC/FexSiy复合材料， 工艺流程如下(1)原料分析本发明中所涉及铁矿尾矿主要成分为SiO2和Fe3O4，还含有少量Al203、Mg0、K20、Na20、Ca0 等成分。铁矿尾矿组成成分表 (2)铁矿尾矿原料粉碎，过0. 074_标准筛，然后将尾矿、碳粉(石墨或碳黑)按照 1. 35-2. 25 1的质量百分比混合；(3)混合料中加入无水乙醇作为分散剂和助磨剂，在常温下研磨5-7小时，使之充 分均勻混合；无水乙醇的加入量为混合料总质量的4-10% ；(4)混合粉料掺入粘结剂，置于磨具中机压成型，脱模后在50-100°C温度下干燥 18-24小时；每10克混合反应物料加粘结剂量为1 6ml ；粘结剂为3_5% PVA (聚乙烯醇)， 其余为水；(5)将干燥后坯体放入坩埚中，埋碳粉(碳粉将试样包覆)，然后置于管式炉中，以 下升温制度进行升温5-35°C 60min至20(rC，20(TC经200min至800°C，保温30min，然后 以2-8°C /min的升温速率升温至1450_1650°C，保温4_8小时，自然冷却至5_35°C，取出制 品；然后再放入马弗炉中，800°C保温5-7小时除去残碳。得到主晶相为SiC/FexSiy复合粉 体。(6)将SiC/FexSiy复合粉料与炭黑按质量百分比为5%的比例混合，搅拌均勻。然 后在球磨罐中，以乙醇为介质，复合粉料与炭黑球乙醇=1 1.5 1.5，混磨12小时， 自然晾干，以PVA为结合剂，干压成型，在140MPa的成型压力下压制成型，干燥。最后将生 坯试样放入石墨坩埚中，并加入金属硅粉(埋Si粉至将试样包覆)，在管式炉炉内氮气保护 气氛下进行反应烧结。最后，得到产物SiC/FexSiy复合材料。本研究利用铁矿尾矿为主要原料，通过二次烧结的方法制得SiC/FexSiy复合材 料。工艺技术成熟，易于控制，获得产品具有显著的高热导率特性以及良好的抗折强度、断 裂韧性、热膨胀以及抗氧化性能等。本发明具有以下几个突出特点主要原料为危害环境的铁矿尾矿，成本低廉且有 利于生态环境保护；工艺成熟易于控制；所得产品附加值高。本发明的优点在于1、制备工艺简单，无需复杂的工艺设备和工艺过程，同时以大量的废弃尾矿作为 原料，变废为宝，缓解废弃的尾矿对环境的压力。2、得到的SiC/FexSiy复合材料。具有突出的热传导性以及较小的抗热膨胀性和良 好的抗氧化性等。


图1为不同保温时间，所得最终复合材料产物的XRD图谱。
具体实施例方式实施例1将铁矿尾矿、碳(石墨或碳黑)按照1. 50 1的质量百分比混料，在无水乙醇介质中研磨6小时。取出混合粉体，干燥，添加粘结剂，然后在40MPa压力下机压成型为Φ10Χ4πιπι的 圆形小样块，脱模后在80°C温度下干燥20小时。将干燥后坯体放入坩埚中，埋碳粉(碳粉将试样包覆)，放入管式炉中，室温经 60min至200 °C，200 °C经200min至800 °C，保温30min，然后以5 °C /min升温速率升温至 1200°C，保温30min，再以3°C /min升温速率升温至1500°C，保温5小时。将烧结炉以4°C /min的速率降至1200°C，然后在1200°C保温30min ；自然冷却至 室温，取出制品；然后再放入马弗炉中，800°C保温6小时烧去残碳。得到主晶相为SiC的复 合粉体。复合粉体中配入质量百分含量5%的碳黑。球磨、干燥，然后加入粘结剂在140MPa 的成型压力下压制成型，干燥。最后将生坯试样放入石墨坩埚中，并加入金属硅粉(埋Si 粉至将试样包覆)，在管式炉炉内氮气保护气氛下进行反应烧结。最后，得到SiC/FexSiy复 合材料。实施例2将铁矿尾矿、碳(石墨或碳黑)按照2. 00 1的质量百分比混料，在无水乙醇介 质中研磨6小时。取出混合粉体，干燥，添加粘结剂，然后在40MPa压力下机压成型为Φ10Χ4πιπι的 圆形小样块，脱模后在80°C温度下干燥20小时。将干燥后坯体放入坩埚中，埋碳粉(碳粉将试样包覆)，放入管式炉中，室温经 60min至200 °C，200 °C经200min至800 °C，保温30min，然后以5 °C /min升温速率升温至 1200°C，保温30min，再以3°C /min升温速率升温至1500°C，保温5小时。将烧结炉以4°C /min的速率降至1200°C，然后在1200°C保温30min ；自然冷却至 室温，取出制品；然后再放入马弗炉中，800°C保温6小时烧去残碳。得到主晶相为SiC的复 合粉体。复合粉体中配入质量百分含量5%的碳黑。球磨、干燥，然后加入粘结剂在140MPa 的成型压力下压制成型，干燥。最后将生坯试样放入石墨坩埚中，并加入金属硅粉(埋Si 粉至将试样包覆)，在管式炉炉内氮气保护气氛下进行反应烧结。最后，得到SiC/FexSiy复 合材料。
权利要求
一种用铁矿尾矿制备SiC/FexSiy复合材料的方法，其特征在于以铁矿尾矿为主要原料，配入碳粉为还原剂，机压成型得到成份均匀坯体；尾矿、碳粉质量比为1.35-2.25∶1；在制备过程中通过控制配料比、烧结温度、升温制度、保温时间工艺参数，得到SiC/FexSiy复合粉体；然后复合粉体通过二次反应烧结制得SiC/FexSiy复合材料，工艺流程如下(1)原料分析本发明中所涉及铁矿尾矿主要成分为SiO2和Fe3O4，还含有少量Al2O3、MgO、K2O、Na2O、CaO成分；铁矿尾矿组成成分表 成分 SiO2 Fe3O4 MgO Al2O3 K2O、Na2O、CaO 质量百分比/％ 80-85 12-15 1-1.5 0.5-1 1-6.5(2)铁矿尾矿原料粉碎，过0.074mm标准筛，然后将尾矿、碳粉按照1.35-2.251的质量比混合；(3)混合料中加入无水乙醇作为分散剂和助磨剂，在常温下研磨5-7小时，使之充分均匀混合；无水乙醇的加入量为混合料总质量的4-10％；(4)混合粉料掺入粘结剂，置于磨具中机压成型，脱模后在50-100℃温度下干燥18-24小时；每10克混合反应物料加粘结剂量为1～6ml；粘结剂为3-5％PVA，其余为水；(5)将干燥后坯体放入坩埚中，埋碳粉、碳粉将试样包覆，然后置于管式炉中，按以下升温制度进行升温5-35℃60min至200℃，200℃经200min至800℃，保温30min，然后以2-8℃/min的升温速率升温至1450-1650℃，保温4-8小时，自然冷却至5-35℃，取出制品；然后再放入马弗炉中，800℃保温5-7小时除去残碳，得到主晶相为SiC/FexSiy复合粉体；(6)将SiC/FexSiy复合粉料与炭黑按质量百分比为5％的比例混合，搅拌均匀，然后在球磨罐中，以乙醇为介质，复合粉料与炭黑∶球∶乙醇＝1∶1.5∶1.5，混磨12小时，自然晾干，以PVA为结合剂，干压成型，在140MPa的成型压力下压制成型，干燥；最后将生坯试样放入石墨坩埚中，并加入金属硅粉、埋Si粉至将试样包覆；在管式炉炉内氮气保护气氛下进行反应烧结；最后，得到产物SiC/FexSiy复合材料。
全文摘要
本发明属于陶瓷、耐火材料以及矿产固体废弃物综合利用技术领域，提供了一种用铁矿尾矿合成SiC/FexSiy复合材料的方法，工艺技术成熟易于控制，原料成本低廉，产品具有较高应用价值。本发明以铁矿尾矿为主要原料，配入碳粉为还原剂，机压成型得到成份均匀坯体。在制备过程中通过控制配料比、烧结温度、升温制度、保温时间等工艺参数，得到高纯SiC/FexSiy复合粉体。然后复合粉体通过二次配料、成型，埋硅粉反应烧结制得SiC/FexSiy复合材料。本发明主要原料为危害环境的铁矿尾矿，成本低廉且有利于生态环境保护，工艺成熟易于控制，所得产品附加值高。得到的SiC/FexSiy复合材料，具有突出的热传导性以及良好的抗热膨胀性和抗氧化性等，可广泛应用于冶金、化工、电力、能源等工业领域。
文档编号C04B35/622GK101863668SQ20101018861
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者仉小猛, 张作顺, 徐利华, 郝洪顺 申请人:北京科技大学