本發(fā)明具體涉及一種高溫陶瓷Al4SiC4粉體材料的合成方法。
背景技術(shù)：
三元碳化物碳硅化鋁是一種新型共價鍵的化合物，Al4SiC4陶瓷具有熔點高、硬度高、強度大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、低膨脹系數(shù)、抗氧化和抗侵蝕能力強等特點，因此在耐火材料行業(yè)具有很好的開發(fā)前景。
1961年，Barzak等人[Xiaomei Xi, Xiaofeng Yang.Spontaneous infiltration of aluninum-silicon alloy into silicon carbide performs in air[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1996, 79(1): 102-108.]采用 4∶1 摩爾比的鋁和硅的混合粉末，蒸餾提純后首次得到了Al4SiC4。隨后Inou等人[Akira Yamaguchi,Shaowei Zhang.Synthsis and some properties of Al4SiC4[J]. J. Am.Ceram. Soc., 1995, 103(1): 20-24.]采用 X 射線單晶衍射和 X 射線粉末衍射的方法獲取了Al4SiC4晶體學(xué)數(shù)據(jù)：空間群被標(biāo)定為P63mc，六方晶體結(jié)構(gòu)單元尺寸為 a＝0.32771±0.00001nm，c＝2.16716±0.0002nm。近年來，Al4SiC4陶瓷因其較低的密度（3.03g/cm3）、較高的熔點(＞2037℃)、在高溫下具有穩(wěn)定的理化性能和優(yōu)良的機械性能等特性而逐漸受到人們的關(guān)注。然而由于制作上的困難，一直以來Al4SiC4的合成及性能的報道非常有限。
至今為止，Al4SiC4在國內(nèi)外有兩種相應(yīng)的制備方法：一種是固-固合成，另一種是固-液合成。固-固合成，具體方法有高溫自蔓延法、熱壓燒結(jié)法、等離子噴涂法、固相反應(yīng)燒結(jié)法等；固-液合成，主要包括電弧焊法、滲透法等等。這些方法的共同缺點是合成溫度高，反應(yīng)時間長，浪費能源，成本高。2009年，周軍、王剛、李紅霞等人在專利（CN 101619554 A）中提供了一種Al4SiC4粉體材料的制備方法，其原料按重量百分比球磨混合16-30h;冷壓成30%-60%相對密實度的預(yù)制塊;在100-200℃溫度下保溫烘干6-8h;預(yù)制塊置于碳?xì)种频娜萜鲀?nèi)層,外層填入輔助燃燒劑,抽真空后,通入氮氣,自蔓延高溫合成所需粉體。該工藝方法耗費時間長，合成的材料致密度低。
溫廣武等人通過熱壓燒結(jié)方式[G. W. Wen, X. X. Huang.Increased high temperature strength and oxidation resistance of Al4SiC4 ceramics[J]. J. Eur. Ceram. Soc, 2006, 26: 1281-1286.]，采用天然石墨、金屬鋁粉和聚碳化硅烷（PCS）為原料，制成 Φ55 mm×5 mm 的試樣，然后在氬氣環(huán)境下將原料分解為高活性的 Al、SiC、C，通過熱壓燒結(jié)方式進(jìn)行反應(yīng)，生成Al4SiC4材料。該工藝方法生產(chǎn)率低、成本高。
2013年，杜文獻(xiàn)、周莉萍等人在專利（CN 103304237 A）中提供了一種Al4SiC4粉體材料的制備方法，該方法以煤矸石、金屬鋁粉和碳粉為原料，利用等離子噴涂法直接噴涂制備 Al4SiC4材料。該工藝方法缺點是噪音大、粉塵多，對人體有害。
K.Itatani 等人固相反應(yīng)燒結(jié)法[ K. Itatani, F. Takahashi, M. Aizawa, et al. Densification and microstructural developments during the sintering of aluminium silicon carbide[J]. J. Mater. Sci., 2002, 37: 335-342.]以 4 : 1 : 4 的比例混合Al 粉、Si 粉和活性碳粉，研磨成粉末后在氬氣氣氛下加熱到 1600 ℃，恒定 10 小時后，即可得到Al4SiC4粉末。該工藝生產(chǎn)效率低。
2012年，阮國智、張智慧等人在專利（CN 102730690 A）中提供了一種Al4SiC4材料的制備方法，所采用的技術(shù)方案是：按重量百分含量將45～65％的Al粉、20～35％的SiC粉、15～30％碳粉在球磨中加無水乙醇混合均勻后，80～120℃下烘干，成型，然后將試樣埋在裝有金屬鋁粉的石墨坩堝中，再將石墨坩堝放入爐內(nèi)在埋碳條件下，于1500～1700℃加熱并保溫2～7小時，冷卻后，從石墨坩堝中取出試樣并除去表面的雜質(zhì)層，即得到Al4SiC4材料。該工藝制備不便，純度較低。
A. Urena 等人電弧焊法[A.Urena, P.Rodrigo, L.Gil. Interfacial reactions in an Al-Cu-Mg(2009)/SiCw composite during liquid processing[J]. J. Mater. Sci., 2001, 36: 429-439.]在利用 SiC 晶須進(jìn)行試驗時，偶然發(fā)現(xiàn)利用電弧焊產(chǎn)生的高能在接觸面上出現(xiàn)了針狀的 β-Al4SiC4。該工藝方法電弧流動速度高，反應(yīng)物在高溫區(qū)停留時間短，存在壽命的問題，合成產(chǎn)物純度低。
Xiaofeng Yang 等人滲透法[Xiaomei Xi, Xiaofeng Yang. Spontaneous infiltration of aluninum-silicon alloy into silicon carbide performs in air[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1996, 79(1): 102-108.]將 Al-Si 合金溶液加熱到 1200 ℃，然后浸入 Si-C 預(yù)制件，再迅速加熱到 1500 ℃~1600 ℃，并進(jìn)行十分鐘滲透，就可得到5 mm厚的Al4SiC4，但含有少量的 Al、α-SiC 及 SiC 相。該工藝合成材料含有少量雜質(zhì)相，純度低。
若要將Al4SiC4陶瓷應(yīng)用至工程領(lǐng)域，需要大量、高純、低成本的Al4SiC4陶瓷耐火材料。本發(fā)明采用微波混合加熱的方法在很短的時間便制備出純度很高的Al4SiC4陶瓷粉體材料，大大降低了生產(chǎn)成本。
與普通的微波合成技術(shù)相比，微波混合加熱技術(shù)有不少優(yōu)點：首先是適用范圍廣，既可以加熱微波吸收性能很差以及容易揮發(fā)的反應(yīng)物，也能制備容易氧化的樣品；其次是設(shè)備簡單，除了真空氣氛微波燒結(jié)爐以外，只需要氧化鋁坩堝等普通材料；另外，該技術(shù)節(jié)能省時，加熱時間一般只需幾分鐘，最長也不過幾十分鐘。因此，為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本，有必要探索一種低成本、工藝簡單的Al4SiC4粉體材料的制備方法，以便更好地滿足Al4SiC4陶瓷耐火材料適應(yīng)高要求鋼鐵冶煉的需要。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是提供一種Al4SiC4粉體材料的合成方法。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)，采用微波混合加熱技術(shù)。
主要包過以下步驟：
①原料及樣品制備：
2.將石墨粉、鋁粉、硅粉按照一定比例稱量并混勻，然后壓片。
3.將壓片放入小坩堝中，用脫模介質(zhì)包裹，然后將小坩堝放入裝有加熱介質(zhì)的大坩堝中。
4.將組裝好的樣品放入真空氣氛微波燒結(jié)爐內(nèi)，在惰性氣氛的保護(hù)下通過微波混合加熱合成單相的Al4SiC4粉體材料。
②評價：用XRD對樣品進(jìn)行表征。
③優(yōu)點：
4.本發(fā)明設(shè)備簡單，工藝容易控制，能耗較低。
5.所制備的樣品中Al4SiC4相含量較高，接近單相。
6.制備時間短，與傳統(tǒng)制備方法相比，效率提高了數(shù)十倍。
④說明：
3.用適當(dāng)壓力壓制樣品片，微波加熱時間較短。
4.惰性氣體為不與樣品反應(yīng)的氣體。
5.所述的加熱介質(zhì)為能夠吸收微波的材料。
附圖說明：
圖1是本發(fā)明提供的實施例后得到的樣品的XRD圖譜。
具體實施方式：
實施例1：
以鋁粉、硅粉、石墨粉為原料。按照= (4.1:1:4)或(4:1.2:4)或(4:1:3.8)的摩爾比稱重，將混合后的粉末置于研缽中研磨10-30分鐘后，將粉末壓制成柱體狀后，把壓塊放于自制的反應(yīng)器中，蓋上氧化鋁的坩堝蓋子，將完全組裝好待燒結(jié)的樣品放入到微波燒結(jié)爐后，關(guān)閉爐門，抽取真空至-0.1后，關(guān)掉真空泵。通入氬氣流量16-160L/h直至達(dá)到正常壓力，調(diào)小通入氬氣流量后，啟動微波燒結(jié)，燒結(jié)時間一定,燒結(jié)溫度1200℃，保溫時間10min。同樣方式取相同坩堝，配料、組裝方式及燒結(jié)條件同上，保溫時間不變，但燒結(jié)溫度定為1300℃，待樣品冷卻后取出，用金相砂紙表面打磨，最后研碎從而得到Al4SiC4粉體。
實施例2：
以鋁粉、硅粉、石墨粉為原料。按照=(4.1:1:4)或(4:1.2:4)或(4:1:3.8)的摩爾比稱重，將混合后的粉末置于研缽中研磨10-30分鐘后，將粉末壓制成柱體狀后，把壓塊放于自制的反應(yīng)器中，蓋上氧化鋁的坩堝蓋子，將完全組裝好待燒結(jié)的樣品放入到微波爐后，關(guān)閉爐門，抽取真空至-0.1后，關(guān)掉真空泵。通入氬氣流量16-160L/h直至達(dá)到正常壓力，調(diào)小通入氬氣流量后，啟動微波燒結(jié)，燒結(jié)溫度1200℃，保溫10min。同樣方式取相同坩堝，配料、組裝方式及燒結(jié)條件同上，燒結(jié)溫度不變，但保溫時間為15min。待樣品冷卻后取出，用金相砂紙表面打磨，最后研碎從而得到Al4SiC4粉體。
實施例3：
以鋁粉、硅粉、石墨粉為原料。按照= 4.05:1:4 的摩爾比稱重，將混合后的粉末置于研缽中研磨10-30分鐘，后將粉末壓制成柱體狀材料。把壓塊放于自制的反應(yīng)器中，蓋上氧化鋁的坩堝蓋子，將完全組裝好待燒結(jié)的樣品放入到微波燒結(jié)爐后，關(guān)閉爐門，抽取真空至-0.1后，關(guān)掉真空泵。通入氬氣流量16-160L/h直至達(dá)到正常壓力，調(diào)小通入氬氣流量后，啟動微波燒結(jié)，燒結(jié)時間一定。燒結(jié)溫度定為1200℃，保溫時間10min,每次實驗時，燒結(jié)溫度、保溫時間相同，但不斷調(diào)整原料配比。待樣品冷卻后取出，用金相砂紙表面打磨，最后研碎從而得到Al4SiC4粉體。