專利名稱：高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法，屬高溫耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。
高溫耐火材料是在傳統(tǒng)陶瓷和普通耐火材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類性能優(yōu)異的高溫材料，它具有較高的化學(xué)純度、高的熔點(diǎn)(1700～4000℃)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及高溫強(qiáng)度。因此，在航天、新能源、原子反應(yīng)堆、特殊冶金等科技領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。譬如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的內(nèi)襯和噴嘴、磁流體發(fā)電通道材料、反應(yīng)堆吸收中子的控制棒、冶金熔煉坩堝、飛機(jī)渦輪葉片等。這類高溫耐火材料種類多，形狀復(fù)雜，尺寸精度和高溫性能要求高。然而，目前傳統(tǒng)的成型制備方法已難于滿足要求。如現(xiàn)使用的模壓法、搗打法、擠壓成型法，只適合于形狀較簡(jiǎn)單的制品；石膏模注漿法也只能成型薄壁制品，對(duì)于許多厚薄實(shí)心且形狀復(fù)雜的高溫耐火部件的成型仍很困難，常常導(dǎo)致成型坯體表層與中心密度及組成不一致而產(chǎn)生開裂。并且石膏模注漿成型的坯體強(qiáng)度低，尺寸精度和表面光潔度也較差。
本發(fā)明的目的是提出一種高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法，首先在有機(jī)單體水溶液中加入固體粉料和分散劑，制備出高固相含量(≥50vol％)的懸浮體或具有流動(dòng)性的漿料；然后加入引發(fā)劑(或同時(shí)加入催化劑)并混合均勻。再將這種混合漿料澆注進(jìn)不吸水的模具內(nèi)，隨后加熱到60～80℃，引發(fā)劑引發(fā)有機(jī)單體聚合反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)使模腔內(nèi)漿料原位凝固成耐火材料坯體。
本發(fā)明的高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法，包括以下各步驟1、有機(jī)單體(如丙烯酰胺)和交聯(lián)劑(如亞甲基雙丙烯酰胺)與水混合溶解，(單體∶交聯(lián)劑＝30～70∶1)制備出濃度為2～50％的水溶液(又稱單體預(yù)混液)。
2、耐火材料的粉料(SiC、Al2O3、鋯英砂細(xì)粉、Si3N4、)加入上述有機(jī)單體水溶液中并攪拌分散，制備出高固相體積分?jǐn)?shù)(≥50vol％)的漿料。為提高漿料流動(dòng)性可加入一些分散劑。使用的分散劑包括聚丙烯酸、聚丙烯酸銨、聚丙烯酰銨、檸檬酸銨、聚乙二醇。分散劑用量占陶瓷粉料重量的0.5～2.0wt％。為了保證漿料懸浮穩(wěn)定而不沉降，可加入懸浮穩(wěn)定劑，如海藻酸鈉、甲基纖維素，懸浮穩(wěn)定劑的加入量占固體粉料的0.5～1wt％。
3、粉料和分散劑與水溶液攪拌混合后，有可能產(chǎn)生少量氣泡；可加入一些消泡劑(如異丙醇、脂肪酸、磷酸三丁脂)，稍微攪拌即可消除氣泡，消泡劑的加入量為0.05～0.5wt％。
4、將引發(fā)劑(如過硫酸甲或過硫酸胺)邊攪拌邊加入上述懸浮體中，引發(fā)劑的加入量為0.05～1wt％，然后將這種懸浮體澆注進(jìn)入模具中，模具材料為金屬、塑料、橡膠、玻璃等非孔材料。為保證懸浮體充滿模具，可邊澆注邊振動(dòng)。
5、然后加熱模具到60～80℃。約10～60分鐘，懸浮體完全凝固，即可得到本發(fā)明的完好固化的耐火材料坯體。
使用本發(fā)明的高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法，具有下列優(yōu)點(diǎn)1)漿料凝固成型過程無體積收縮，是一種原位固化的凈尺寸成型；2)可成型各種復(fù)雜形狀和不同尺寸大小的耐火材料制品；3)成型坯體均勻性高、質(zhì)量好；4)由于聚合高分子與顆粒的結(jié)合作用，使成型后坯體的強(qiáng)度高、韌性好、不易破損；5)成型的制品尺寸精度高。
下面介紹本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施例1氮化硅結(jié)合碳化硅高溫耐火部件的成型氮化硅結(jié)合碳化硅是性能優(yōu)異的高溫耐火材料。它是由金屬Si粉與SiC顆粒制備的素坯經(jīng)1380℃-1450℃氮化反應(yīng)合成。因此，制備高密度、內(nèi)部均勻的Si/SiC坯體是本成型工藝的應(yīng)用。SiC原料粒徑分布為50-500μm，Si粉粒徑為10-100μm。
在100毫升水中加入10克丙烯酰胺和0.3克亞甲基雙丙烯酰胺，攪拌后迅速溶解。然后加入350克Si粉與SiC顆粒(注，Si粉與SiC顆粒比例范圍分別為Si粉15-35％，SiC顆粒65-85％)。再加入0.2毫升聚丙烯酸銨分散劑。為避免SiC中粗顆粒下沉，加入0.1克的海藻酸鈉高分子，得到均勻分散的濃懸浮體，加入微量磷酸三丁脂消除氣泡。然后加入過硫酸銨引發(fā)劑0.2毫升于漿料中。漿料注入模具后，加熱至70℃。15分鐘后，即固化成不同形狀的素坯。
實(shí)施例2鋯英石高溫耐火部件成型以煅燒后的天然鋯英砂細(xì)粉為原料。在100毫升的預(yù)混液(80wt％水+20wt％丙烯酰胺單體+0.5wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中加入500克鋯英石。為提高分散性，加入1wt％聚丙烯酸分散劑，充分?jǐn)嚢瑁缓髮?00微升的引發(fā)劑過硫酸鉀加入到漿料中，再攪拌。同時(shí)加入少量異丙醇類低級(jí)醇的消泡劑，除去攪拌中可能產(chǎn)生的氣泡。將上述漿料注入一個(gè)金屬模具中，放入60℃烘箱中。約40分鐘漿料固化成所需形狀的坯體。
實(shí)施例3剛玉耐火材料部件成型制備剛玉耐火材料是以Al2O3為主要成分(含Al2O390％以上)，剛玉為晶相的耐火制品，廣泛用于冶金化工上，所用的原料是剛玉粉。
剛玉粉粒度為30-200μm。在250毫升單體預(yù)混液(85wt％水+15wt％丙烯酰胺單體+0.25wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中加入1000克剛玉粉，同時(shí)加入10克檸檬酸銨分散劑。為避免少量剛玉粗顆粒沉降，加入約0.2克的甲基纖維素高分子并充分?jǐn)嚢璺稚?，制得固相體積分?jǐn)?shù)約為50％漿料。然后真空除泡，隨后加入700微升引發(fā)劑過硫酸胺到漿料中。攪拌5分鐘分散均勻后即可注入模具。加熱模具至70℃。約20分鐘，漿料固化成型為所需形狀的部件。
實(shí)施例4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4高溫耐火材料部件素坯的制備反應(yīng)燒結(jié)Si3N4制品的原料采用金屬硅粉，硅粉(Si)在1360-1450℃與N2反應(yīng)生成高溫Si3N4晶相。關(guān)鍵是制備不同形狀的硅粉素坯。
硅粉原料為2μm和20μm的兩種粒徑。在250克預(yù)混液(65wt％水+34wt％丙烯酰胺單體+1wt％亞甲基雙丙烯酰胺)中加入700克硅粉，同時(shí)加入弱堿性或中性分散劑，如聚丙烯酸銨。機(jī)械攪拌分散20分鐘后，通過振動(dòng)和加入脂肪酸消泡劑除去漿料的少量氣泡，然后加入引發(fā)劑過硫酸鉀650微升，并攪拌均勻。在室溫下(20-25℃)將漿料注入模具中，放入60-80℃的烘箱中加熱30分鐘，漿料即可固化得到一定形狀的坯體。
權(quán)利要求
1.一種高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)將有機(jī)單體丙烯酰胺和交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺與水混合溶解，單體∶交聯(lián)劑＝30～70∶1，制備出濃度為2～50％的水溶液即單體預(yù)混液；(2)將耐火材料的粉料加入上述有機(jī)單體水溶液中并攪拌分散，制備出高固相體積分?jǐn)?shù)≥50vol％的漿料，并加入分散劑，分散劑用量占陶瓷粉料重量的0.5～2.0wt％，在加入懸浮穩(wěn)定劑海藻酸鈉或甲基纖維素，所加懸浮穩(wěn)定劑的用量占固體粉料的0.05～1wt％；(3)粉料和分散劑與水溶液攪拌混合后，再加入消泡劑，消泡劑占固體粉料的0.05～0.5wt％；(4)將引發(fā)劑過硫酸甲或過硫酸胺邊攪拌邊加入上述懸浮體中，引發(fā)劑的加入量占固體粉料的0.05～1wt％，然后將這種懸浮體澆注進(jìn)入模具中，邊澆注邊振動(dòng)；(5)最后將模具加熱到60～80℃，保溫10～60分鐘，懸浮體完全凝固，即為本發(fā)明的固化耐火材料坯體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的耐火材料為SiC、Al2O3、鋯英砂細(xì)粉、Si3N4中的任何一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的分散劑為聚丙烯酸、聚丙烯酸銨、檸檬酸銨中的任何一種。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的消泡劑為異丙醇、脂肪酸、磷酸三丁脂中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫耐火材料異形部件的快速凝固成型制備方法,首先將有機(jī)單體和交聯(lián)劑與水混合溶解,再將耐火材料的粉料加入上述有機(jī)單體水溶液中并攪拌分散,制備出漿料,并加入分散劑、穩(wěn)定劑和消泡劑,再將引發(fā)劑邊攪拌邊加入上述懸浮體中,然后將懸浮體澆注進(jìn)模具中,將模具加熱、保溫,即為本發(fā)明的耐火材料坯體。本發(fā)明的方法在漿料凝固成型中無體積收縮,可成型各種形狀和不同尺寸的耐火材料制品,成型坯體均勻性高、質(zhì)量好。
文檔編號(hào)C04B35/632GK1242351SQ9910982
公開日2000年1月26日 申請(qǐng)日期1999年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月16日
發(fā)明者謝志鵬, 黃勇, 陸繼偉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)