SiAlON粉体合成的研究进展

综　　述

NAIHUOCAILIAO/耐火材料2004,38(1)46～49

SiAlON粉体合成的研究进展

□　石玉敏1)　赵婷2)　都兴红1)　张广荣1)

1)东北大学材料冶金学院　沈阳1100062)辽宁省分析测试中心

摘　要　概述了SiAlON材料的组成、结构特点、理化性能和应用领域,全面阐述了SiAlON粉体的合成方法以及由天然原料合成SiAlON粉体的研究进展。关键词　粉体材料,SiAlON,合成,进展

4出特点而倍受青睐4)磨、耐腐蚀、耐高温、、力学性能,而且在热、光、声、电、磁、化学、,某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料,满足了现代科学技术和经济建设的需要;2)陶瓷材料的原料大多为为蕴藏量十分丰富的天然矿物或泥土;3)产品附加值相当高,市场前景广阔;4)应用广泛,几乎渗透到各行各业。

在陶瓷材料中,SiAlON材料具有很高的常温和高温强度,优异的常温和高温化学稳定性,很强的耐磨性,良好的热稳定性和不高的密度,在石油、化工、冶金、汽车、宇航等领域都有广泛的应用前景。例如,它既可以用来制作轴承、切削刀具、耐腐蚀泵、机械密封部件、燃气轮机叶片和火箭喷嘴等[1,2],又可以用作碳化硅、刚玉等耐火材料的结合剂。作为刚玉耐火材料结合剂时,不但能使刚玉耐火材料的烧结温度降低250～300℃,而且SiAlON结合刚玉制品的抗侵蚀性、抗氧化性和抗热震性比一般刚玉制品明显改善[3];而SiAlON结合SiC材料可用于炼铁高炉中最易损毁的炉腰、炉腹和下部炉身等部位,其效果明显好于粘土砖和高铝砖,可使高炉寿命由原来的3～5年增至10～15年[4]。1990年代初期,国外就有人将SiAlON结合

SiC材料作为第二代高炉关键部位的内衬材料[5]。美国、日本

单,近来已成为材料领域的研究热点。我国有着非常丰富的天然原料资源,,SiAlON,。

SiAlON(SiliconAluminumOxynitride)是1970年代初分别

由日本的小山阳一[9]和英国的JackWilson[10]在Si3N4-Al2O3系统中发现的一种固溶体。它是由Al2O3中的Al原子和O原子部分置换Si3N4中的Si原子和N原子而形成的,其晶体构型与Si3N4相类似。理想的Si3N4结构是由[SiN3]四面体通过共角的形式形成的空间骨架。与Si3N4一样,SiAlON也包括α型和β型两种晶型,除此之外,由于Al和O的固溶状态不同,

SiAlON还有O型、X型和AlN多型体等晶体构型(图1)[11]。

其中β,’2SiAlON是一种结构单元为(Si,Al)(O,N)4四面体的无缺陷的置换型固溶体,其化学通式为Si6-ZAlZOZN8-表1列出了Z=3时β’2SiAlON材料的基本性质[12]

。

Z

(0<Z

<4.2),是众多固溶体中结构最简单,性能最稳定的固溶体。

和德国正在大力开发SiAlON材料,用它作为冶炼高纯净钢的超高级材料[6]。“九五”期间,原冶金部提出了高炉使用寿命要达到10～15年的目标,并要求必须进一步提高SiAlON结合

SiC砖的质量,降低成本[7]。而我国目前要克服耐火材料工业

图1　SiAlON相图

存在的突出问题,加速耐火材料品种的结构调整,大力开发及推广使用新型、长寿、节能、绿色的耐火材料品种,其中就包括以氮化物与氧化物或非氧化物结合的复合型技术结构陶瓷材料(包括Si3N4、SiAlON、AlON结合的刚玉质、尖晶石质、镁质和莫来石质材料)[8]。所以,无论从国际还是国内范围来看,研究、开发和应用SiAlON材料的时代已经到来。

但合成SiAlON陶瓷时原料昂贵,能耗大,对设备和工艺条件要求苛刻等因素,极大地制约了合成SiAlON粉体的研究进展。使用天然原料合成的SiAlON,由于其成本低、工艺简

2　SiAlON粉体的合成方法

合成SiAlON材料的方法主要有如下5种:

(1)直接合成法:采用Si3N4、AlN和Al2O3为原料,根据相

图,严格按配比配料,经高温固相反应合成[11,13]。

此法要求比较苛刻,既要保证反应原料的纯度,而且要求

石玉敏:女,1968年生,博士研究生,高级工程师。

收稿日期:2003-03-21

编辑:黄卫国

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NAIHUOCAILIAO/耐火材料　2004/1

β)表1　2SiAlON(Z=3)材料的性质(20℃

抗拉耐压杨氏密度/韦伯抗折膨胀系数/K-1

强度强度强度模量硬度泊松比-3

模量/MPa/MPa/MPa/GPa(g )cm)(0～1200℃

15

945

450

3500

3001800HV0.50.23

3.259

3.04×10-6

热导率/

(m [W K)-1]

22

电阻率/导磁率介电损耗临界热自摩擦系

震温差数(80℃

(Ω m-1)(10GHz)(10GHz)(水淬法)油中)

1010

8.2

0.002

900℃

0.04

在1700℃以上进行热压烧结。由于此法在合成过程中易产生晶界,单纯依据相图配料合成往往比较困难,通常须添加烧结助剂来改善其烧结性能。常用的烧结助剂为Y2O3,它的引入能使反应体系在烧结过程产生液相,Y2O3固溶到晶体内部,降低玻璃相的含量和晶界[14]。当然,这对材料的性能也会产生影响。

(2)自蔓延高温合成法(又称燃烧法):以Si粉、AlN和Si3N4为原料,经混合、烘干后,于10MPa的高纯氮气(N2>99.999%)气氛中,,法产量很低,且NH3的流量不易控制,因而没有得到推广。

1979年,LeeJG[16]利用碳热还原氮化法制备出β’2SiAlON粉体。反应如下:

Al2O3 2SiO2 2H2O→Al2O3 2SiO2+2H2O3(Al2O3 2SiO2)→3Al2O3 2SiO2+4H2O

3Al2O3 2SiO2+4SiO2+15C5N2→Si3Al3O3N5+15CO

2。,。

,欲制备单一的β’2SiAlON粉黑的用量应略高于计算值。Fe(NO3)3 9H2O和

FeCl3 6H2O能够有效提高反应速率,还原铁粉和Fe2O3也具备

产生2000℃以上的高温,维持,s,因此,在数分 …… 此处隐藏：7676字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……