专利名称：一种轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及耐火材料技术领域，具体涉及一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制
备方法。
背景技术：
现有的氮化硅结合碳化硅耐火材料具有化学性能稳定、常温抗弯强度高、导热系数大及热膨胀系数小等优良性能。氮化硅结合碳化硅耐火材料高温抗弯强度会比常温抗弯强度高，因此常应用于窑炉、冶金以及钢铁行业等。氮化硅结合碳化硅材料的烧结方法有很多，如有常压烧结、热等静压烧结、气压烧结、热压烧结和反应烧结等。利用反应烧结制备氮化硅结合碳化硅耐火材料得到很广泛的应用，这是由于反应烧结相对于其他的方法有很多的优势，比如生产成本更低，更适合规模化生产等；反应烧结形成氮化娃结合碳化娃材料过程中几乎没有形状和尺寸的变化，有利于制备复杂形状的陶瓷构件，但是反应烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料的力学性能较差，尤其是抗弯强度很低，这就限制了其在许多领域的应用。在工业生产中，为了反应烧结制备较高抗弯强度的氮化硅结合碳化硅耐火材料，会尽量提高材料的体积密度，材料的体积密度一般在2. 65g/cm3以上，而抗弯强度也仅仅只有40-50MPa，计算发现比强度仅达到I. 89 X IO4N .m/kg。耐火材料的比强度较低(体积密度高)会导致材料热容更高而造成能耗加剧，设备的承重量大等缺点，还会降低材料的寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处提供一种轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料。本发明的另一目的提供上述氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法。本发明目的是通过以下方式实现的—种轻质高强氮化娃结合碳化娃耐火材料,该材料主要以碳化娃和娃粉为原料制成，碳化硅与硅粉的重量比为65 85 15 30 ;其中，碳化硅粒径D5tl=O. Iiim 150 ym，娃粉粒径D50=O. I ii m I ii m。该材料原料还可含有氧化铝，氧化铝的用量不大于原料总重量的10%，优选氧化铝的用量为原料总重量的4 10%，氧化铝粒径0. I ii m彡D5tl < I ii m。所述碳化娃中，粒径为D5tl=O. I ii m I ii m的碳化娃与粒径为I ii m < D5tl < 150 u m的碳化硅重量比为40飞0 :40飞0。最优选碳化娃中，粒径为D5tl=O. I ii m I ii m的碳化娃，粒径为I ii m < D5tl < 80 ii m的碳化硅与粒径为80 ii m < D5tl彡150 u m的碳化硅的重量比为35 50 :15 30 :5 25。碳化娃与娃粉优选占原料总重量的85%以上。上述轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法包括以下步骤将全部原料混合后进行球磨，球磨时间为8 12小时，球磨后烘干，加原料重8 、12%的PVA (聚乙烯醇)造粒，过40 80目筛，室温放置24小时以上，干压成型，成型压力为40 80MPa，排胶，氮化烧结。所述的烘干温度优选为60 80°C。球磨采用的条件可以为无水乙醇=Si3N4球原料=1 2 :1 2 :1 2。所 述的排胶条件为300 500°C条件下排胶时间为2小时，升温速度为1 3°C /min。所述的烧结条件为1300 1350°C条件下保温I 3h ;再在1400 1450°C条件下保温I 3h。烧结升温条件为先以1(T40°C /min的速率升温至1000°C，再以I 5°C /min的速率升温至1300-1350°C保温I 3h后，最后以I 5°C /min的速率升温至1400 1450°C保温I 3h。烧成的试条体积密度范围I. 9^2. 2g/cm3。本发明为满足轻质高强的要求，利用特定粒径的SiC作为骨料，通过控制颗粒的级配，不仅能增加材料中颗粒间的有效连接，提高材料的抗弯强度，还能降低材料的体积密度。Al2O3还可作为烧结助剂，在氮化烧结时与Si表面氧化的SiO2形成Y-Al-Si-O-N液相，可以更好的促进材料的致密化，促进反应烧结的进行，降低反应烧结的温度，提高耐火材料的抗弯强度。本发明所使用的原料均为工业级即可，均市售可得。另外，本发明方法中控制成型压力可以进一步调节烧结试样的体积密度，从而改善材料的性能；选择合理的烧结温度和保温时间，有助于得到最佳的反应烧结产物，从而提高材料的性能。与现有技术比较本发明的有益效果本发明制备得到的氮化硅结合碳化硅耐火材料能实现低体积密度与高强度的要求，从而提高氮化硅结合碳化硅耐火材料的比强度，提高氮化硅结合碳化硅耐火材料的使用率，在工业应用中能够降低耐火材料的热容、提高耐火材料使用的寿命；该方法采用低温常压下反应烧结，步骤简单、成本低，适于批量生产，可制得大尺寸、形状复杂的部件，产品在高温下能保持高抗弯强度。
具体实施例方式以下通过实施例对本发明做进一步阐述，不应理解为对本发明总的技术方案的限定。实施例1-10配方见表I。实施例1、2、4、5、8、9、10的制备方法将全部原料混合后进行球磨，以无水乙醇为球磨介质，在行星磨中用Si3N4球球磨24h (原料、球和无水乙醇的质量比为1:1. 5:1)，球磨时间为10小时，球磨后的浆料在60°C条件下烘干，加原料重10%的PVA造粒，过40目筛，室温放置24小时，取适量造粒后的粉料于模具中，干压成型，成型压力为40 45MPa,成型后的试条长80mm、宽7. 5mm、高约5. 7mm,排胶，排胶后于高温真空气氛烧结炉中在流动的高纯氮气(纯度>99. 99%)(氮气流速1 3L/min)条件下氮化烧结制得轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料。排胶条件以1 3°C /min的速率升温至400°C，在400°C保温2h。高温烧结条件先以20°C /min的速率升温至1000°C，再以5°C /min的速率升温至1300°C，在1300°C保温2h，最后以5°C /min的速率升温至140(TC，在温度140(TC条件下烧结保温2h。烧成后试条基本没有尺寸变化。实施例3、6、7的制备方法将全部原料混合后进行球磨，以无水乙醇为球磨介质，在行星磨中用Si3N4球球磨24h (原料、球和无水乙醇的质量比为1: 1. 5:1. 5)，球磨时间为8小时，球磨后的浆料在80 0C条件下烘干，加原料重12%的PVA造粒，过60目筛，室温放置24小时，取适量造粒后的粉料于模具中，干压成型，成型压力为50 55MPa,成型后的试条长80mm、宽7. 5mm、高约5. 5mm,排胶，排胶后于高温真空气氛烧结炉中在流动的高纯氮气(纯度>99. 99%)(氮气流速1 3L/min)条件下氮化烧结制得轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料。排胶条件以1 3°C /min的速率升温至500°C，在500°C保温2h。高温烧结条件先以20°C /min的速率升温至1000°C，再以5°C /min的速率升温至1350°C，在1350°C保温2h，最后以5°C /min的速率升温至1450°C，在温度1450°C条件下烧结保温2h。烧成后试条基本没有尺寸变化。将按照实施例方法制备得到的材料进行性质检测，利用三点弯曲法测试试条抗弯强度，具体实验结果见表I。表I实施例I 10制备得到的材料性能结果表
权利要求
1.一种轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于该材料主要以碳化硅和硅粉为原料制成，碳化硅与硅粉的重量比为65 85 15 30 ;其中，碳化硅粒径D5tl=O. I y m 150 u m,娃粉粒径 D50=O. I u m I y m。
2.根据权利要求I所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于该材料原料还含有氧化铝，氧化铝的用量不大于原料总重量的10%，氧化铝粒径0. I SD5q< I U m。
3.根据权利要求2所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于该材料原料还含有氧化招，氧化招的用量为原料总重量的4 10%,氧化招粒径0. lum^D50< Iumo
4.根据权利要求I所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于所述碳化硅中，粒径为D5tl=O. I ii m I ii m的碳化硅与粒径为I y m < D5tl彡150 ii m的碳化硅重量比为 40 60 :40 60。
5.根据权利要求I所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于所述碳化娃中，粒径为D5tl=O. I ii m I ii m的碳化娃，粒径为I ii m < D5tl < 80 ii m的碳化娃与粒径为80 u m < D50 ^ 150 u m的碳化硅的重量比为35 50 :15 30 :5 25。
6.根据权利要求I所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于碳化硅与硅粉占原料总重量的85%以上。
7.—种权利要求I所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤 将全部原料混合后进行球磨，球磨时间为8 12小时，球磨后烘干，加原料重的8 12%的PVA造粒，过40 80目筛，室温放置24小时以上，干压成型，成型压力为40 80MPa，排胶，氮化烧结。
8.根据权利要求7所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于该方法所述的排胶条件为300 500°C条件下排胶2小时。
9.根据权利要求7所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于该方法所述的烧结条件为1300 1350°C条件下保温I 3h，再在1400 1450°C条件下保温I 3h。
10.根据权利要求9所述的轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于所述的烧结升温条件为先以1(T40°C /min的速率升温至1000°C，再以1 5°C /min的速率升温至1300 1350°C，最后以I 5°C /min的速率升温至1400 1450°C。
全文摘要
本发明公开了一种轻质高强氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法，该材料主要以碳化硅和硅粉为原料制成，碳化硅与硅粉的重量比为65～8515～30；其中，碳化硅粒径D50=0.1μm～150μm，硅粉粒径D50=0.1μm～1μm；将全部原料混合后进行球磨，球磨时间为8～12小时，球磨后烘干，加原料重的8～12%的PVA造粒，过40～80目筛，室温放置24小时以上，干压成型，成型压力为40～80MPa，排胶，氮化烧结。通过本发明配方及方法制备得到的氮化硅结合碳化硅耐火材料生产成本低、容易实现工业化生产，产品的体积密度低、抗弯强度高，能够降低生产能耗、提高设备的使用率。
文档编号C04B35/565GK102746013SQ201210287828
公开日2012年10月24日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者叶飞, 郭露村, 陈涵 申请人:南京工业大学