一種利用粉煤灰制備β-SiAlON復(fù)相材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用粉煤灰制備β-SiAlON復(fù)相材料的方法，該方法包括以下步驟：1）將粉煤灰磁選除鐵后和碳粉分別粉碎至粒度小于或等于48μm，然后將粉煤灰細(xì)粉和碳粉細(xì)粉按質(zhì)量比為1:(0.1～0.25)的比例混合，加水濕磨；2）100～120℃烘干，將干燥烘干后的混合料中粘接劑，在50～100Mpa的壓力下預(yù)壓成型，然后在氮?dú)鈿夥障?450～1550℃燒結(jié)4～6小時(shí)，降溫冷卻后，即得β-SiAlON復(fù)相材料。本發(fā)明提供的方法簡(jiǎn)單，原料來源廣泛，價(jià)格低廉，有利于環(huán)境保護(hù)，對(duì)于開拓廢棄物利用的方式方法、增加粉煤灰的附加值具有重要意義。
【專利說明】—種利用粉煤灰制備β-SiAION復(fù)相材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)固體廢棄物資源循環(huán)利用及新型耐火材料制備的領(lǐng)域，具體為一種利用粉煤灰制備β -SiAlON復(fù)相材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]β -SiAlON 是 β -Si3N4 與 AIN、Al2O3 的固溶體，組成可用 Si6_zAlz0zN8_z 表示，其中z表示Al取代Si的原子個(gè)數(shù)。在1750°C時(shí)，Si6_zAlz0zN8_z組分范圍從z=0到z=4.2。β -SiAlON的性質(zhì)與ζ值有關(guān)，隨ζ值的增大，晶胞尺寸增大，導(dǎo)致鍵強(qiáng)減弱，結(jié)構(gòu)疏松，從而使密度、楊氏模量、抗折強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)下降。另外β-SiAlON相晶粒通常呈長(zhǎng)柱狀，在各種單相SiAlON中具有最高的室溫?cái)嗔秧g性。并且β-SiAlON的熱膨脹系數(shù)(2.7 X IO^6oC ^1)比3-Si3N4(3.5X10_6°C ―1)小，因此β-SiAlON具有比β-Si3N4更優(yōu)的抗熱震性。同時(shí)β -SiAlON的抗氧化性明顯優(yōu)于Si3N4而與SiC相近。β -SiAlON與熔融金屬有很好的相容性，有很高的抗熔融金屬侵蝕的能力。
[0003]β-SiAlON主要合成方法可以分為高溫固相反應(yīng)法、自蔓延高溫(SHS)合成法(燃燒法)、金屬還原氮化法、碳熱還原氮化合成法(CRN)。
[0004](I)高溫固相反 應(yīng)法:
[0005]向Si3N4粉末中添加等摩爾數(shù)的AlN和Al2O3，并在高溫下把AlN和Al2O3固溶到β-Si3N4中去，不同配比的原料可以得到z值不同的β-SiAlON，其合成反應(yīng)式為:
[0006](6-z) Si3N4+zAlN+zAl203=3Si6_zAlz0zN8_z
[0007](2)自蔓延反應(yīng)合成法
[0008]以Si粉、AlN和a -Si3N4為原料，用發(fā)熱體點(diǎn)燃反應(yīng)混合物頂端的鈦顆粒，并產(chǎn)生2000°C以上的高溫，使反應(yīng)混合物開始燃燒(氮化反應(yīng))。由于該燃燒反應(yīng)具有很強(qiáng)的放熱效應(yīng)，一旦點(diǎn)燃后就可以自發(fā)維持，并以燃燒波的形式以2mm.S-1的速率向前蔓延，因此在數(shù)分鐘之內(nèi)就完成β-SiAlON的合成。該燃燒合成反應(yīng)的化學(xué)式可表達(dá)為:
[0009]Si+Si3N4+Si02+AlN+N2(g) — Si6_zAlz0zN8_z
[0010]整個(gè)氮化過程在數(shù)分鐘內(nèi)完成，SHS法合成的β -SiAlON的ζ值受到限制，一般為
0.3—0.6 ο
[0011](3)金屬還原氮化法
[0012]為降低成本，實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中采用較多的是金屬還原氮化方式制備β -Sialon,即在氧化鋁原料中，通過添加金屬硅和鋁粉的方法，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，直接合成β -SiAlON相。其反應(yīng)方程式為:
[0013](6-z) Si+z/3Al+z/3Al203+ (4-0.5z) N2=Si6_zAlz0zN8_z
[0014](4)碳熱還原氮化合成法
[0015]前面三種方法由于原料昂貴(Si3N4、AIN、Al2O3或硅粉、鋁粉)、能耗大且對(duì)設(shè)備以及加工工藝要求苛刻限制了其在工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)。而碳熱還原氮化則由于其經(jīng)濟(jì)可行性成為研究的重點(diǎn)。[0016](6-z) Si02+0.5zA1203+ (4-0.5z) N2+(12-1.5z) C=Si6_zAlz0zN8_z+ (12—1.5z) CO
[0017]碳熱還原氮化主要以富含Si02、Al203的物質(zhì)為原料，加入適量的碳粉作為還原劑，在氮?dú)鈿夥障潞铣搔?SiAlON。
[0018]粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰中的Si02、Al2O3對(duì)粉煤灰的火山灰性質(zhì)貢獻(xiàn)很大，易于形成玻璃微珠，均為資源化的有益成分。粉煤灰中硅含量最高，其次是鋁，它們以復(fù)雜的復(fù)鹽形式存在，酸溶性較差；鐵含量相對(duì)較低，以氧化物形式存在，酸溶性好；此外粉煤灰中還有未燃盡的炭粒、CaO 和少量的 MgO、Na2O、K2O、SO3 等。
[0019]我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為:Si02、A1203、Fe2O3> CaO, MgO等。我國多
數(shù)地區(qū)粉煤灰的成分如下:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種利用粉煤灰制備β-SiAlON復(fù)相材料的方法，該方法包括以下步驟: 1)將粉煤灰和碳粉分別粉碎至粒度小于或等于48μ m，然后將粉煤灰細(xì)粉和碳粉細(xì)粉按質(zhì)量比為1: (0.1~0.25)的比例混合，加水濕磨； 2)100~120°C烘干，將干燥烘干后的混合料中添加粘接劑，在50~IOOMpa的壓力下預(yù)壓成型，然后在氮?dú)鈿夥障?450~1550°C燒結(jié)4~6小時(shí)，降溫冷卻后，即得β -SiAlON復(fù)相材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的粉煤灰含有以下質(zhì)量百分比的成分:Α120335% ~45%, Si0240% ~60%, CaO 少于 5%，堿含量(Na2CHK2O)少于 4%，碳 1% ~10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰預(yù)先磁選除鐵，所述磁選除鐵的方法為:將水與粉煤灰按照重量比為1.5:1配制粉煤灰漿料，并通過5000~lOOOOGs的強(qiáng)磁場(chǎng)磁選分離，并將除鐵后的漿料在100~120°C的馬弗爐中烘干。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳粉為石墨粉、焦炭粉、活性炭粉、木炭粉或者炭黑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰與碳粉的質(zhì)量比為1:0.15-0.25。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加水濕磨，加水量為每100g混合料5ml水,濕磨時(shí)間為6-10小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的粘接劑為有機(jī)無毒且在500°C以上高溫下會(huì)揮發(fā)的粘接劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述的粘接劑為聚乙烯醇或羧甲基纖維素鈉。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所添加的粘接劑水溶液質(zhì)量濃度在3~5%，添加量為每g混合料0.1~0.15ml粘接劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)將粉煤灰磁選除鐵和碳粉分別粉碎至粒度小于或等于48μ m，然后將粉煤灰細(xì)粉、碳粉細(xì)粉按質(zhì)量比1:0.2的比例混合，加水濕磨6-10小時(shí)，加水量為每100g混合料5ml水； 2)在100~120°C烘干，向干燥烘干后的混合料中添加粘接劑，添加量為每g混合料0.1~0.15ml粘接劑，在50~IOOMpa的壓力下預(yù)壓成型，然后在氮?dú)鈿夥障?450~1550°C，燒結(jié)4~6小時(shí)，降溫冷卻后，即得β -SiAlON復(fù)相材料。
【文檔編號(hào)】C04B35/599GK103922752SQ201410102599
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】王習(xí)東, 王博, 趙大偉, 王昊, 張作泰, 劉麗麗 申請(qǐng)人:北京大學(xué)