一种利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料及其制备方法

文档序号：1729862 发布日期：2019-12-20 浏览：30次 >En<

阅读说明：本技术 一种利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料及其制备方法 (Silicon nitride whisker-aluminum nitride-corundum ternary composite ceramic material using natural minerals as raw materials and preparation method thereof ) 是由劳新斌徐笑阳江伟辉梁健于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料,包括基料和结合剂,所述基料的组成为铝硅酸盐矿物65～85wt％、金属铝粉10～30wt％、金属硅粉5～10wt％,所述结合剂的用量为基料的6～12wt％。此外,还公开了上述利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料的制备方法。本发明采用天然铝硅酸盐矿物-金属铝粉-金属硅粉为原料体系,通过原位合成的方式引入氮化硅晶须、氮化铝和刚玉,不仅节约了原料成本,简化了制备工艺,而且有效解决了现有技术工业粉料和骨料不易混匀的问题,提高了刚玉基复合陶瓷材料的品质与性能,有利于推广应用和行业技术的进步与发展。(The invention discloses a silicon nitride whisker-aluminum nitride-corundum ternary composite ceramic material taking natural minerals as raw materials, which comprises a base material and a bonding agent, wherein the base material comprises 65-85 wt% of aluminosilicate minerals, 10-30 wt% of metal aluminum powder and 5-10 wt% of metal silicon powder, and the amount of the bonding agent is 6-12 wt% of the base material. In addition, the preparation method of the silicon nitride whisker-aluminum nitride-corundum ternary composite ceramic material using the natural minerals as the raw materials is also disclosed. According to the invention, natural aluminosilicate mineral-metal aluminum powder-metal silicon powder are used as a raw material system, and silicon nitride whiskers, aluminum nitride and corundum are introduced in an in-situ synthesis manner, so that the raw material cost is saved, the preparation process is simplified, the problem that industrial powder and aggregate are not easy to mix uniformly in the prior art is effectively solved, the quality and performance of the corundum-based composite ceramic material are improved, and the popularization and application and the progress and development of industrial technology are facilitated.)

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种氮化硅晶须-氮化铝-刚玉复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

刚玉陶瓷是一种应用广泛的材料，具有强度高、耐腐蚀性好、耐火度高等特点，可作坩埚、辊道等高温用途。但刚玉陶瓷具有热膨胀系数高、韧性差、抗热震性差等缺点，所以其作为高温结构陶瓷的使用时，尺寸规格受到了一定的限制。这是因为尺寸规格越大，材料的抗热震性越差。而氮化硅和氮化铝具有高热导率、低膨胀和高抗热震性等优点，恰好可以弥补刚玉陶瓷性能方面的不足，因此氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料是综合了三者优点的复相陶瓷材料，在耐火材料、研磨材料等领域具有广泛的应用。

目前，现有技术刚玉基复合陶瓷材料的制备，主要是以工业级氮化硅粉、氮化铝粉和刚玉粉为原料，即以刚玉粉为骨料，混入氮化硅粉和氮化铝粉进行改性。这种材料体系普遍存在着原料成本高、混料不匀、性能不均等问题。即便有研究采用了原位合成晶须的方式引入氮化硅等原料，但铝源和硅源仍旧选用的是工业级原料，不仅产品成本高，而且不易成型，产品成品率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料，采用天然矿物-金属铝粉-金属硅粉为原料体系，以便通过原位合成方式引入氮化硅晶须、氮化铝和刚玉，而获得高性能、低成本的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉材料。本发明的另一目的在于提供上述利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉复合陶瓷材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，所述基料的组成为铝硅酸盐矿物65～85wt％、金属铝粉10～30wt％、金属硅粉5～10wt％，所述结合剂的用量为基料的6～12wt％。

进一步地，本发明所述铝硅酸盐矿物为天然高岭土、球土、红柱石、硅线石、蓝晶石、铝矾土的一种、二种或三种组合。

进一步地，本发明所述铝硅酸盐矿物的粒度为80～325目；所述金属铝粉的粒度为100～700目；所述金属硅粉的粒度为325～700目。

上述方案中，本发明所述结合剂为水、糊精、废纸浆液、浓度5wt％的PVA溶液中的一种或其组合。

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的上述利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料的制备方法如下：将所述基料混合后，加入结合剂混合均匀；压制成型、干燥后得到的生坯，在氮气氛、埋氮化硅骨料条件下进行烧结，烧成后即制得氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料。

进一步地，本发明制备方法所述干燥后的生坯其水分含量＜1％。

上述方案中，所述烧结温度为1350～1600℃，烧成时间为1～3h。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用天然铝硅酸盐矿物-金属铝粉的原料体系，采用硅粉直接氮化的方式先期合成Si₃N₄作为晶须的晶核，并利用金属铝粉与矿物中二氧化硅的反应置换出金属硅，金属硅原位与二氧化硅反应生成SiO气相产物，SiO气相产物与氮气反应，从先期合成的Si₃N₄晶核上原位生成大量氮化硅晶须；金属铝粉与气氛中的氮气反应原位生成氮化铝；由于铝硅酸盐矿物中的二氧化硅被铝粉不断置换反应而消失，剩余的氧化铝则原位合成得到刚玉。由于原位合成的目标产物(即氮化硅晶须和氮化铝)可均匀地分布在刚玉颗粒之间，从而有效解决了现有技术工业粉料和骨料不易混匀的问题，极大地提高了氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料的性能。

(2)本发明主要使用的是天然矿物，其中，球土和高岭土具有良好的塑性，有助于提高成型性能，从而能够显著提高产品的成品率；并且，所用天然矿物具有储量大、分布广、价格低廉等优势，有助于降低产品成本。所用的金属铝粉具有较低的熔点，可在较低的烧成温度形成液相分散在坯体中，不仅有利于材料烧结，同时也有利于解决性能不均的问题。

(3)本发明原位合成的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料，抗热震性能好、烧成收缩低、机械强度高，其主要性能指标如下：天然矿物添加量≥50％、烧成收缩＜2％、热导率＞10W/(m·K)、抗折强度≥40MPa、1100℃～室温抗热震循环30次不开裂、1400℃下保温1h不软化不变形。

(4)本发明原料易得、工艺简单、烧成温度低，并且对于提高刚玉基陶瓷材料的品质、以及节约产品成本具有重要意义，因而具有广阔的市场前景，有利于推广应用和行业技术的进步与发展。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例所制得的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料的X射线衍射图谱；

图2是本发明实施例所制得的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料的二次电子像。

具体实施方式

实施例一：

1、本实施例一种利用天然矿物为原料的氮化硅晶须-氮化铝-刚玉三元复合陶瓷材料，包括基料和结合剂，基料的组成为红柱石(80目)30wt％、高岭土(250目)35wt％、金属铝粉(180目)30wt％、金属硅粉(325目)5wt％，结合剂为水和浓度5wt％的PVA溶液，其用量分别为基料的2wt％和8wt％。