一种Al4SiC4耐火材料及制备方法与流程

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种al4sic4耐火材料及其制备方法。

背景技术：

三元碳化物al4sic4具有高熔点(2037℃)、高强度、良好的化学稳定性，其在高温氧化条件下表面生成稳定的莫来石和刚玉保护膜，具有良好的抗氧化性能和耐水蒸气腐蚀性能，在特种耐火材料领域具备广泛的应用前景。目前国内外通常采用固相反应合成al4sic4，王刚以al、si和炭黑/石墨为原料，机械球磨20～40h制备了al4sic4[cn101423215a]；chen以al、si和炭黑为原料，在ar气氛下经过1800℃×3h处理，得到高纯度的al4sic4[chenjh,zhangzh,miwj,etal.fabricationandoxidationbehaviorofal4sic4powders.j.am.ceram.s℃.,2017,100(7):3145-3154.]。可见，目前固相反应合成al4sic4存在反应温度较高、保温时间长的缺点。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种al4sic4耐火材料及其制备方法。

本发明所提供的技术方案如下：

一种al4sic4耐火材料的制备方法，包括以下步骤：将热固性酚醛树脂、金属铝、单质硅和铝硅合金混合成预混料，然后将所述预混料在120～250℃条件下烘烤24～30小时，再在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，即得al4sic4耐火材料，其中，所述预混料中al、si和c摩尔比为4:1:4～4:1:5。

上述技术方案中，热固性酚醛树脂是耐火材料常用的结合剂，本发明向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，高温下融化形成al-si金属熔体，同时酚醛树脂热解形成高活性的无定型碳，与al-si金属熔体在较低温度下反应生成al4sic4。

另外，本发明采用感应炉对原料进行加热，感应炉通过对感应线圈施加交流电产生交变磁场，炉中导电物料在交变磁场作用下产生感应电动势，导电物料在感应电流的作用产生焦耳热(涡流效应)，加热物料；在交变磁场作用下，导电的al-si金属熔体受到洛伦兹力与重力的综合作用，周期性变化的洛伦兹力在金属熔体中产生电磁搅拌作用。在电磁搅拌过程中，al-si金属熔体与c反应析出的al4sic4晶体在运动中由于相互摩擦剪切易于断裂破坏，游离破坏的al4sic4晶体成为新的晶核，且电磁搅拌使熔体发生对流，加快传质与传热，产生大面积的结晶，加快al4sic4的形成。

具体的，以3～20℃/min的速率升高到1000～1600℃进行加热反应。

基于上述技术方案，本发明实现了以更低的反应温度，实现al4sic4的生成。

具体的，加热反应后在1000～1600℃下保温0.5～4h。

基于上述技术方案，本发明实现了以更低的反应温度和更短的保温时间，实现了al4sic4晶体的生长。

具体的，加热反应和保温后，热固性酚醛树脂的残碳率大于等于45wt％，且小于等于60wt％。

具体的，金属铝的al含量≥99wt％；金属铝的粒径≤38μm。

具体的，单质硅的si含量≥99wt％；单质硅的粒径≤38μm。

具体的，铝硅合金的al含量≥80wt％，si含量≥18wt％；所述铝硅合金的粒径≤38μm。

基于上述技术方案，金属铝、单质硅和铝硅合金颗粒更易在感应炉中快速反应。

本发明还提供了根据上述al4sic4耐火材料的制备方法制备得到的al4sic4耐火材料。

本发明得到的al4sic4耐火材料，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为1.5～4.0％。

本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明制备al4sic4耐火材料的方法具有合成速率快、产物组分均匀和抗水蒸气腐蚀性强的特点。较现有技术所提供的方法，进一步降低了反应时间和保温时间。

附图说明

图1是本发明实施例制备的al4sic4耐火材料的xrd图，由中可以看出合成的al4sic4具有较高的纯度。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例制备al4sic4耐火材料的方法是：

向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，控制al、si和c摩尔比为4:1:4，搅拌均匀，即得预混料；再将上述预混料在200℃条件下烘烤27小时，然后经感应炉处理，在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，其中以10℃/min的速率升高到1000℃进行加热反应，加热反应后在1000℃下保温0.5h，即得al4sic4耐火材料。

本实施例制备的al4sic4耐火材料，纯度≥80％，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为3.75％。

实施例2

本实施例制备al4sic4耐火材料的方法是：

向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，控制al、si和c摩尔比为4:1:4.2，搅拌均匀，即得预混料；再将上述预混料在200℃条件下烘烤24～30小时，然后经过感应炉处理，在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，其中以11℃/min的速率升高到1200℃进行加热反应，加热反应后在1200℃下保温0.5h，即得al4sic4耐火材料。

本实施例制备的al4sic4耐火材料，纯度≥83％，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为3.35％。

实施例3

本实施例制备al4sic4耐火材料的方法是：

向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，控制al、si和c摩尔比为4:1:4.4，搅拌均匀，即得预混料；再将上述预混料在200℃条件下烘烤24～30小时，然后经过感应炉处理，在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，其中以12℃/min的速率升高到1300℃进行加热反应，加热反应后在1300℃下保温0.5h，即得al4sic4耐火材料。

本实施例制备的al4sic4耐火材料，纯度≥85％，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为2.95％。

实施例4

本实施例制备al4sic4耐火材料的方法是：

向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，控制al、si和c摩尔比为4:1:4.6，搅拌均匀，即得预混料；再将上述预混料在200℃条件下烘烤24～30小时，然后经过感应炉处理，在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，其中以20℃/min的速率升高到1400℃进行加热反应，加热反应后在1400℃下保温2h，即得al4sic4耐火材料。

本实施例制备的al4sic4耐火材料，纯度≥89％，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为2.55％。

实施例5

本实施例制备al4sic4耐火材料的方法是：

向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，控制al、si和c摩尔比为4:1:4.8，搅拌均匀，即得预混料；再将上述预混料在200℃条件下烘烤24～30小时，然后经过感应炉处理，在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，其中以5℃/min的速率升高到1500℃进行加热反应，加热反应后在1500℃下保温2h，即得al4sic4耐火材料。

本实施例制备的al4sic4耐火材料，纯度≥92％，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为2.15％。

实施例6

本实施例制备al4sic4耐火材料的方法是：

向热固性酚醛树脂中加入金属铝、单质硅和铝硅合金，控制al、si和c摩尔比为4:1:5，搅拌均匀，即得预混料；再将上述预混料在200℃条件下烘烤24～30小时，然后经过感应炉处理，在保护气氛下经感应炉加热反应和保温，其中以12℃/min的速率升高到1600℃进行加热反应，加热反应后在1600℃下保温1h，即得al4sic4耐火材料。

本实施例制备的al4sic4耐火材料，纯度≥96％，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率为1.75％。

对各实施例制备的al4sic4耐火材料，经过1000℃水蒸气腐蚀100h(水蒸气与空气体积比为1:4，总压为1个标准大气压)，增重率在1.5～4.0％。

因此，本发明所提供的al4sic4耐火材料的制备方法具有合成速率快、产物组分均匀的特点，得到的al4sic4耐火材料具有抗水蒸气腐蚀性强的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。