一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al₂O₃/β-Sialon复相粉体的方法

专利名称：一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al₂O₃/β-Sialon复相粉体的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备Α1203/β-Sialon复相粉体的方法，特别涉及一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/ β -Sialon复相粉体的方法。
背景技术：
SIALON是一类金属氧化物在金属氮化物中的固溶体，是20世纪70年代由日本的Oyama和英国的Jack Wilson在研究Si3N4材料添加剂时发现的，其中SIALON陶瓷(分为a -Sialon,O’-Sialon和β -Sialon)复合材料拥有出色的耐高温、高强度、高硬度、耐磨损和抗腐蚀等特性，在宇航、能源、冶金、机械以及重大工程等领域中具有广阔的应用前景。但 是SIALON陶瓷复合材料通常选用Al2O3, Si3N4等昂贵的工业原料，生产成本较高，因此合理利用现有资源，选用一些低成本的原料来制备复相SIALON材料具有重要意义。我国是世界上蓝晶石矿物原料品种齐全、资源丰富的国家。蓝晶石矿化学式为Al2(SiO4)O,晶体属三斜晶系的岛状硅酸盐矿物，同族矿物有硅线石、红柱石，是提取铝、制造高级耐火材料、高强度轻质合金、特件陶瓷、合成莫来石等矿物原料。在冶金、陶瓷、玻璃、机械、电力、化工等领域也有广泛的应用。粉煤灰是火力发电厂用锅炉烧煤排出的一种工业废渣，大量的粉煤灰不仅需要大面积的土地来堆放，而且还严重影响自然环境。本发明中选用粉煤灰和蓝晶石矿物作为原料，利用蓝晶石矿物和粉煤灰中提供的Al，Si，N等元素，来合成制备SIALON和Al2O3的复相粉体材料，一方面利用低成本的天然矿物和工业废弃物来合成SIALON复相陶瓷材料降低了 SIALON陶瓷材料的生产成本；另一方面也为我国矿产资源和工业废弃物的高效综合利用作出了贡献。

发明内容
本发明目的是针对SIALON复相陶瓷材料生产成本较高，提出一种工艺简单、成本低、能耗低的利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/ β -Sialon复相粉体的方法。本发明的技术方案如下本发明提出的一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/ β -Sialon复相粉体的方法，其特征在于采用粉煤灰和蓝晶石为工业原料，焦炭(或炭黑粉，石墨等其他碳素材料)作为还原剂，并按一定比例混合，经过混料，球磨，高温加热，冷却等工艺后制备出Al2O3/β-Sialon复相粉体，本发明中，原料当中粉煤灰加入量占10wt% -50wt%，蓝晶石加入量占20wt% _70wt%,焦炭粉(或炭黑粉,石墨等其他碳素材料)加入量占lwt% -60wt%。所述的蓝晶石为市售原料,含氧化铝大于50wt%，含氧化硅大于40wt%，粒径小于IOOum ;粉煤灰为市售原料,含氧化招大于50wt%,含氧化娃大于30wt%,粒径小于lOOum。氮气为市售氮气,其中N2含量大于99wt% ;焦炭粉为市售工业原料,或者为石墨或其他碳素材料，焦炭或代用品要求碳的含量大于90wt%,粒度范围为50um-lmm。复相粉体的烧成温度为1350°C -1500°C，保温时间为1-6小时。
本发明所述的工艺过程为I)将蓝晶石粉末，粉煤灰粉末和焦炭粉(或炭黑粉，石墨等其他碳素材料)粉末按照粉煤灰加入量占10wt% _50wt%、蓝晶石加入量占20wt% _70wt%、焦炭粉(或炭黑粉，石墨等其他碳素材料)加入量占lwt% -60wt%的比例混合，放入球磨机中球磨1-24小时混合均匀。2)将混合均匀的粉末取出适量，放在焦炭纸上，将碳纸放入气氛炉内，充分抽真空后通入氮气，在O. 13MPa流动氮气保护气氛中烧成烧成温度为1300°C -1500°C，粉体在气氛炉内的升温速率没有特定要求，可以在800°C -1100°C的温度范围内保温一定时间，在最终的烧成温度保温1-6小时，自然冷却至室温，得到所述的Al2O3/β -Sialon复相粉体材料。本发明所述的工艺方法相对简单，且所用原料成本低，能耗低，并为粉煤灰和蓝晶石等矿物的充分利用提供了一种途径。·
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明实施例I使用粉煤灰粉末和蓝晶石粉末作为原料，焦炭作为还原剂。粉煤灰加入量为40wt%，蓝晶石加入量为50wt%，焦炭加入量为IOwt%。烧结温度为1350°C。将粉煤灰粉末、蓝晶石粉末和焦炭按上述比例混合，将混合后的原料放入球磨罐中，并适量的添加稍许直径为3-8_的玛瑙球，将球磨罐放入行星球磨机中干法球磨7个小时，将原料混合均匀后取出，得到混合均匀的原料粉末，取出适量的原料放在碳纸上，并将碳纸放入气氛炉中，充分抽真空后加入氮气，在O. 13MPa流动氮气保护气氛中烧成，最高烧成温度为1350°C，并在该温度下保温4小时，上述烧成产物在自然冷却至室温后即得到所述的Al2O3/ β -Sialon复相粉体材料。实施例2使用粉煤灰粉末和蓝晶石粉末作为原料，石墨作为还原剂。粉煤灰加入量为35wt%，蓝晶石加入量为60wt%，石墨加入量为5wt%。烧结温度为1400°C。将粉煤灰粉末、蓝晶石粉末和石墨按上述比例混合，将混合后的原料放入球磨罐中，并适量的添加稍许直径为3-8_的玛瑙球，将球磨罐放入行星球磨机中干法球磨5个小时，将原料混合均匀后取出，得到混合均匀的原料粉末，取出适量的原料放在碳纸上，并将碳纸放入气氛炉中，充分抽真空后加入氮气，在O. 13MPa流动氮气保护气氛中烧成，最高烧成温度为1400°C，并在该温度下保温3小时，上述烧成产物在自然冷却至室温后即得到所述的Al2O3/ β -Sialon复相粉体材料。实施例3使用粉煤灰粉末和蓝晶石粉末作为原料，碳黑作为还原剂。粉煤灰加入量为40wt%，蓝晶石加入量为55wt%，碳黑加入量为5wt%。烧结温度为1500°C。将粉煤灰粉末、蓝晶石粉末和碳黑按上述比例混合混合，将混合后的原料放入球磨罐中，并适量的添加稍许直径为3-8_的玛瑙球，将球磨罐放入行星球磨机中干法球磨5个小时，将原料混合均匀后取出，得到混合均匀的原料粉末，取出适量的原料放在碳纸上，并将碳纸放入气氛炉中，充分抽真空后加入氮气，在O. 13MPa流动氮气保护气氛中烧成，最高烧成温度为1500°C，并在该温度下保温2小时，上述烧成产物在自然冷却至室温后即得 到所述的Al2O3/ β -Sialon复相粉体材料。
权利要求
1.一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/β-Sialon复相粉体的方法，其特征在于以粉煤灰和蓝晶石为原料，按一定比例混合均匀，加入适量或过量的焦炭(或炭黑粉，石墨等其他碳素材料)，在氮气的气氛下，高温煅烧，得到所述的Al2O3/ β -Sialon复相粉体。
2.根据权利要求I所述的一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/β -Sialon复相粉体的方法，其特征在于原料粉中按质量百分比粉煤灰占10%-50%，蓝晶石占20%-70%，焦炭粉(或炭黑粉，石墨等其他碳素材料)占1% _60%。
3.根据权利要求I所述的一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/β-Sialon复相粉体的方法，其特征在于蓝晶石为市售原料，含氧化铝大于50wt %，含氧化硅大于40wt %，粒径小于IOOum ;粉煤灰为市售原料,含氧化招大于50wt%,含氧化娃大于30wt%,粒径小于IOOum0
4.根据权利要求I所述的一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/β -Sialon复相粉体的方法，其特征在于所用氮气为市售氮气，其中队含量大于99wt% ;所用焦炭粉为市售工业 原料，或者为石墨或其他碳素材料，焦炭或代用品要求碳的含量百分比大于90%，粒度范围为 50um-lmmo
5.根据权利要求I所述的一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/β -Sialon复相粉体的方法，其特征在于复相粉体的烧成温度为1350°C -1500°C，保温时间为1-6小时。
全文摘要
本发明涉及一种利用粉煤灰和蓝晶石制备Al2O3/β-Sialon复相粉体的方法，本发明是以粒径小于100um的工业废弃粉煤灰和市售蓝晶石矿物作为原料，以焦炭(或炭黑粉，石墨等其他碳素材料)为还原剂，将三种原料按一定比例混合，在高温和氮气的气氛下，通过碳热还原氮化反应合成所述Al2O3/β-Sialon复相粉体。同现有的技术比较，本发明中提供的方法具有原料来源广，绿色环保，生产成本低等优点，本发明为蓝晶石矿物和废弃粉煤灰的合理利用提供了一种新的技术途径。
文档编号C04B35/626GK102826858SQ201210321568
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者曹晓炜, 刘艳改, 黄朝晖, 房明浩, 吴昊, 杨涛, 杨得鑫, 易帅 申请人:中国地质大学(北京)