[发明专利]一种利用粉煤灰制备β-SiAlON复相材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业固体废弃物资源循环利用及新型耐火材料制备的领域，具体为一种利用粉煤灰制备β-SiAlON复相材料的方法。

背景技术

β-SiAlON是β-Si₃N₄与AlN、Al₂0₃的固溶体，组成可用Si_6-zAl_zO_zN_8-z表示，其中z表示Al取代Si的原子个数。在1750℃时，Si_6-zAl_zO_zN_8-z组分范围从z=0到z=4.2。β-SiAlON的性质与z值有关，随z值的增大，晶胞尺寸增大，导致键强减弱，结构疏松，从而使密度、杨氏模量、抗折强度、热膨胀系数下降。另外β-SiAlON相晶粒通常呈长柱状，在各种单相SiAlON中具有最高的室温断裂韧性。并且β-SiAlON的热膨胀系数(2.7×10^-6℃^-1)比β-Si₃N₄(3.5×10^-6℃^-1)小，因此β-SiAlON具有比β-Si₃N₄更优的抗热震性。同时β-SiAlON的抗氧化性明显优于Si₃N₄而与SiC相近。β-SiAlON与熔融金属有很好的相容性，有很高的抗熔融金属侵蚀的能力。

β-SiAlON主要合成方法可以分为高温固相反应法、自蔓延高温（SHS）合成法（燃烧法）、金属还原氮化法、碳热还原氮化合成法（CRN）。

(1)高温固相反应法：

向Si₃N₄粉末中添加等摩尔数的AlN和Al₂O₃，并在高温下把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，其合成反应式为：

(6-z)Si₃N₄+zAlN+zAl₂O₃=3Si_6-zAl_zO_zN_8-z

(2)自蔓延反应合成法

以Si粉、AlN和α-Si₃N₄为原料，用发热体点燃反应混合物顶端的钛颗粒，并产生2000℃以上的高温，使反应混合物开始燃烧(氮化反应)。由于该燃烧反应具有很强的放热效应，一旦点燃后就可以自发维持，并以燃烧波的形式以2mm·s^-1的速率向前蔓延，因此在数分钟之内就完成β-SiAlON的合成。该燃烧合成反应的化学式可表达为：

Si+Si₃N₄+SiO₂+AlN+N₂(g)→Si_6-zAl_zO_zN_8-z

整个氮化过程在数分钟内完成，SHS法合成的β-SiAlON的z值受到限制，一般为0.3-0.6。

(3)金属还原氮化法

为降低成本，实际工业化生产中采用较多的是金属还原氮化方式制备β-Sialon，即在氧化铝原料中，通过添加金属硅和铝粉的方法，在氮气保护下，直接合成β-SiAlON相。其反应方程式为：

(6-z)Si+z/3Al+z/3Al₂O₃+(4-0.5z)N₂=Si_6-zAl_zO_zN_8-z

(4)碳热还原氮化合成法

前面三种方法由于原料昂贵（Si₃N₄、AlN、Al₂O₃或硅粉、铝粉）、能耗大且对设备以及加工工艺要求苛刻限制了其在工业上的大规模生产。而碳热还原氮化则由于其经济可行性成为研究的重点。