[发明专利]一种氧化硅结合碳化硅材料

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术领域，具体涉及一种氧化硅结合碳化硅材料，所制备氧化硅结合碳化硅材料可以用于窑具、有色行业铝电解槽内衬、垃圾焚烧炉内衬等高温领域。

背景技术

碳化硅质耐火材料具有导热系数高、热膨胀系数低、抗震性好、高温强度高、耐化学侵蚀性好、抗渣及锌铝铜铅等熔液侵蚀能力强和高温耐磨性能好等一系列优点，被广泛应用于冶金、化工、能源等各个高温行业中。由于SiC是以共价键为主的化合物，烧结温度在2000℃以上，因此在一般的窑炉中很难达到烧结致密。为了促进SiC的烧结，通常会加入氧化物（粘土、莫来石、二氧化硅等）或非氧化物（氮化硅、氮氧化硅、低温型β-SiC等）结合相来降低烧成温度，其中氧化硅结合碳化硅耐火材料的综合性能较为优良，成本相对较低，是目前陶瓷窑具的主流材料之一，还可用作垃圾焚烧炉内衬、铝电解槽内衬、锌冶炼炉内衬等，具有广阔的发展前景。

虽然氧化硅结合碳化硅材料的开发和应用历史久远，但目前仍存在一些问题，最主要的有：

1、二氧化硅微粉引入杂质的不利影响。氧化硅结合碳化硅材料常用的结合相原料为二氧化硅微粉。二氧化硅微粉具有粒度细小、比表面积大、反应活性高的特点，高温下通过二氧化硅微粉的烧结可以将碳化硅很好地结合起来，使材料具有较高强度。耐火材料用二氧化硅微粉是工业硅和硅铁生产过程中的副产品，质量波动较大，不利于氧化硅结合碳化硅材料的质量稳定。二氧化硅微粉除二氧化硅外，其它杂质氧化物种类较多且含量偏高，特别是碱金属和碱土金属氧化物含量，高温烧成时这些杂质氧化物进入材料的富硅玻璃相中，降低了玻璃相黏度，对氧化硅结合碳化硅材料的高温性能非常不利。

2、泥料制备过程中细粉和微粉分布不均匀。二氧化硅微粉较高的反应活性使其容易将碳化硅结合起来形成较高的强度，但其较高的表面活性使得其彼此之间容易形成团聚体，给混料均匀化造成困难，导致材料结构的不均匀和质量的不稳定。此外，材料中其它较细原料在表面力作用下也容易形成团聚。氧化硅结合碳化硅材料较理想的结构应是二氧化硅均匀地包裹在碳化硅表面，碳化硅通过二氧化硅彼此连接起来。受二氧化硅微粉中杂质的限制，综合考虑材料的性能，二氧化硅微粉加入量不能太高，因而其微观结构的均匀性相对较差。

3、残硅对氧化硅结合碳化硅材料高温性能的不利影响。为改善氧化硅结合碳化硅材料的性能，材料制备过程中通常会添加少量的单质硅粉，通过烧成过程中硅粉氧化为高活性的氧化硅将碳化硅很好地结合起来，同时氧化反应伴随的体积膨胀能堵塞气孔，提高材料的性能。但是，在材料的烧成过程中，并不能保证这些硅粉完全氧化，即残硅的存在很难避免。Si的熔点仅为1420℃，在其它杂质共同作用下，即使少量Si的存在也会造成碳化硅材料高温性能的下降。因此，避免残硅的存在是提高碳化硅制品高温性能亟待解决的关键问题。

4、临时结合剂引入杂质的不利影响。为满足氧化硅结合碳化硅材料坯体的成型、搬运等性能，成型时通常要加入少量临时结合剂，这些临时结合剂中通常含有一定的碱金属和碱土金属氧化物，不利于材料的高温性能。以耐火材料常用临时结合剂木质素磺酸钙为例，其CaO的含量在8%左右，按照2%加入量计算，将使材料中CaO含量增加0.16%，从而使碳化硅材料的高温性能明显降低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种氧化硅结合碳化硅材料。

本发明为完成上述目的采用如下技术方案：

一种氧化硅结合碳化硅材料，所述氧化硅结合碳化硅材料的原料组成及质量百分比为：碳化硅颗粒60～75％、碳化硅细粉18～30％、碳化硅微粉3～8％、硅粉1～3％、纳米二氧化硅0.3～1.5％；所述原料的质量百分比之和为100%；所述的氧化硅结合碳化硅材料还外加有作为结合剂的液体酚醛树脂；酚醛树脂加入量以使混合后泥料满足成型性能为要求；所述的氧化硅结合碳化硅材料的原料与液体酚醛树脂混合均匀后制成泥料，成型并烘干后，在高温窑炉内进行烧成，最高烧成温度为1350~1500℃；烧成后随炉冷却至室温即可制得氧化硅结合碳化硅材料；所述纳米二氧化硅的粒径范围为5~100nm，化学成份要求SiO₂≥99.8wt％；所述碳化硅微粉的粒度要求小于5μm，化学成份要求SiC≥96.0wt％。

所述液体酚醛树脂为耐火材料常用热塑性或热固性酚醛树脂。

所述纳米二氧化硅的加入量为0.5～1%。

所述硅粉的加入量为1.5～2%。