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耐火材料用SiAlON的合成方法

时间:2022-06-24点击次数:120信息来源:

尽管SiAlON性能优异,工业化推广有很多限制,性价比有待提高。通过不断的探索,大量的研究人员减少了它SiAlON提高合成的难度和成本SiA10ON可控性为00%。人们发现天然矿物原料或工业废物可以用高纯度原料代替SiAlON材料。近年来的研究表明,海水砾石、高岭石、稻壳等天然原料可用于制备SiAlON,煤矸石、粉煤灰等工业废物也可用于制备SiAlON材料。


早期SiAlON合成主要是固相反应合成法。该方法对温度、设备等工艺条件要求较高,限制了其工业化的推广,需要提高性价比。随着技术的发展,SiAlON碳热还原氮化法、金属还原氮化合成法、自蔓延燃烧合成法、微波合成合成等方法已经开发出来。SiAON合成主要集中在β-SiAlON和α-SiAlON上。

1)固相反应合成法

固相反应法是指以Al2O3、AlN、Si3N4、SiO2离子键或共价键化合物作为原料合成SiAlON的方法。

在关于SiAlON的早期研究中,人们采用Al2O3、AIN、Si3N4、SiO2化合物探索Si-Al-O-N化合物、稳定相图和SiAlON合成条件和工艺。Jack在2000℃烧结Al2O3和Si3N4获得了SiAlON相并得到了XRD衍射峰。1976年,Jack在早期实验的基础上,通过1550-2000℃热压烧结Al2O3、AIN、Si3N4、SiO2和Si2N2O,绘制了1750℃下Al2O3-AlN-Si3N4-SiO24元系相图。Lewis采用Si3N4、AlN和SiO2作为原料,添加1%MgO单相作为烧结助剂,通过热压烧结合成SiAlON陶瓷。Trigg采用Y2O3、SiO2、Si3N4和Al2O3,在1700-1800℃氮化烧结在烧结过程中形成Y-Si-Al-O-N液相,通过溶解-沉淀过程获得(T-SiAlON。Mitomo采用Si3N4、Al2O3、AIN作为原料,18000℃氮化烧结,制备β-SiAlON常温下三点弯曲强度为490MN/m2,在1200℃高温时为480MN/m2。

固溶反应法制备SiAlON往往需要1700-1800℃温度甚至更高,需要10-20MPa在压力下,添加稀有金属氧化物作为烧结添加剂。因此,制备固溶反应SiAlON很难。固溶反应法的优点是可以很好地控制设计反应物的比例形成SiAlON的组成。

2)金属还原氮化合成法

采用金属Si、Al粉末作为部分原料,在高温氮气氛中Al2O3、Si3N4.原位反应直接合成SiAlON该方法是金属还原氮化合成法。

Zhang采用Si3N4、AlN和Al制备混合物坯体作为原料,发现添加金属Al与不添加相比,坯体强度高;900℃预处理坯体可原位形成纳米级Al2O3.1650-1750可在无压烧结条件下进行℃制备β-SiAlON,合成温度降低。

Li等人用铝渣(主要物相对)Al32wt%、Al2O325wt%、SiO210wt%、CaO4wt%、MgO10wt%、Fe2O35wt%)、Si粉、Si3N1450-1750是原料℃在流动氮气中烧结6小时;金属烧结时Al在600-1100℃反应形成AlN,金属Si在反应过程中形成Si3N4和Si2N2O,多型体可以通过复杂的化学反应形成SiAlON和β-SiAlON;通过控制反应参数获得SiAlON晶须增强材料。

金属还原氮化合成法的合成温度相对于固相反应法降低,并且无需施加压力或者添加稀有金属烧结助剂。金属还原氮化合成法适宜用于原位合成SiAlON结合相用于材料的增强,因此常用于耐火材料结合相或增强相的形成。Si和Al金属活泼易反应,但反应程度难以控制,不适合制备特定成分SiAlON。

3)燃烧合成法

燃烧合成法,又称高温自扩散合成法,是指无需加热源即可获得反应物反应释放的热量自维反应的方法。

SiAlON的燃烧合成一般采用金属Si和金属Al作为原料和一些反应物,如Si3N4、AIN、NH4F、SiO2、Al2O3、MgO、CaCO3、SrCO3以及稀有金属氧化物,利用金属在氮气中的燃烧维持SiAlON合成所需的能量。如图所示,点火后,反应过程非常快,只有十秒钟。燃烧合成获得的燃烧产品的组成和形状受稀释剂、添加剂等工艺参数的影响。目前,关于SiAlON燃烧合成反应的研究主要集中在β-SiAlON合成产品的燃烧反应。

Shahien采用金属Al、Si和SiO2作为原料,1MPa压力下合成z=2的β-SiAlON,研究结果表明,添加稀释剂(z=1的β-SiAlON)燃烧温度可能从2000以上℃降低到1859℃;可控制稀释剂的含量β-SiAlON转化率;将燃烧产物作为稀释剂反复燃烧5次,可制备纯相Z值为2的β-SiAlON。Shahien后续研究表明,金属Al、Si和SiCb作为原料,1MPa压力下合成z值为2-4的β-SiAlON,加入50%稀释剂合成z=2、3、4的β-SiAlON,将燃烧温度控制在1859℃、1686℃和1 0℃。目前,燃烧合成主要用于制备SiAlON粉末原料。

SiAlON的应用

SiAlON性能优异,SiAlON复合材料用于磨具、金属切割工具、热机或其他热能设备、熔融金属挤压磨具、包装、运输部件、高性能透明陶瓷、人工关节等生物材料。SiAlON广泛应用于耐火材料,在钢冶金、高级窑具材料领域具有广阔的发展应用前景。

SiAlON-Al2O3耐火材料是20世纪法国的Savoie公司开发的新一代陶瓷杯耐火材料。SiAlON-Al2O3耐火材料具有刚玉耐高温、耐氧化的特点SiAlON高强度、优异的抗热震性能有望成为我国新一代高炉炉缸内衬材料,也可用作铸钢钢包滑水口材料。SiAlON-Al2O耐火材料已成为陶瓷杯的可以选择材料。因此,在耐火材料中原位合成SiAlON材料有利于提高材料的性能和稳定性。

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