一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法

1.本发明涉及塞隆多孔陶瓷制备技术领域，具体而言是一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法。


背景技术：

2.赛隆(sialon)陶瓷是si3n
4-al2o
3-aln-sio2系列化合物的总称，是在si3n4陶瓷基础上开发出的一种si-n-o-al多晶氮化物陶瓷，由al2o3中的al原子和o原子部分置换si3n4中的si原子和n原子形成。由于赛隆陶瓷综合了si3n4优异的物理、力学性能和al2o3优异的化学性能，有可能减少或消除熔点不高的玻璃态晶界，而以具有优良性能的固溶体形态存在，因此其具有诸多的优良性能，例如化学性质稳定、耐磨性好、热膨胀系数低、抗热冲击性好等。赛隆陶瓷作为一种性能优异的新型高温结构陶瓷，在军事工业、航空航天工业、机械工业和电子工业等方面都有广阔的应用前景。目前，合成sialon的方法主要包括直接合成法、还原氮化法和自蔓延高温合成法等。劳新斌等以铝硅酸盐矿物、金属铝粉、硅粉和氟化铝等为原料，利用真空-氮气两段式烧结工艺，制备了塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料(一种利用天然矿物为原料的塞隆晶须-刚玉复合陶瓷材料及其制备方法和制得的产品，202110558393.8)。陈海等以氮化硅、铝灰和三氧化二镧为原料，经等静压成型，在高温、氮气气氛下制备了复相塞隆陶瓷。
3.目前制备塞隆陶瓷的方法或使用价格昂贵的si3n4、aln等氮化物作为原料，或反应温度高于1600℃，或必须在真空或高纯氮气气氛下进行，导致合成的塞隆陶瓷成本高，整个工艺过程能耗大，对设备要求高，限制了塞隆陶瓷的大规模生产及广泛应用。
4.另一方面，铝灰是一种在铝工业生产过程中产生的有害固体废弃物，每年的产量达到上百万吨，铝灰的大量堆积会引起严重的环境与公共安全问题，同时也造成资源的浪费。综合回收利用铝灰对减少环境压力、提升铝行业的经济效益具有重要意义。一次铝灰的处理工艺主要有炒灰法、压榨回收法及球磨筛分法等，但存在装备化程度低，劳动强度大，处理过程环保问题突出等缺点。二次铝灰可进行资源化利用，作为制备脱硫剂、硫酸铝、聚合硫酸铝以及耐火材料等的原料，但这些回收利用方法或过程繁杂，或产物附加值较低。如何高效回收利用铝灰，将其变废为宝值得深入研究。
5.晶体硅材料是制造硅抛光片和太阳能电池的主要原料，目前国内外各生产企业在晶片生产过程中，广泛采用线切割技术加工硅片。太阳能硅片在切割过程中，将产生大量的硅粉废料。随着光伏产业的迅猛发展，硅粉回收利用的问题亦成为近年来的热点。
6.目前，关于利用铝灰和硅废料用来制备具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的研究或应用尚未见诸相关报道。


技术实现要素：

7.根据上述技术问题，而提供一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法。
8.本发明采用的技术手段如下：
9.一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，以铝灰和晶体硅切割废料分别作为铝源和硅源，经固相反应烧结法制备具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷，包括以下步骤：
10.(1)将铝灰、晶体硅切割废料及造孔剂按混合得到混合物，其中铝灰与晶体硅切割废料的质量比为2:1～6:1；造孔剂与铝灰的质量比为0:1～1:2；
11.(2)将混合物置于球磨机中进行球磨；
12.(3)将球磨后的混合物进行压片；
13.(4)将样品片置于刚玉坩埚中，并密封处理；
14.(5)将刚玉坩埚进行1400℃～1600℃的烧结；
15.(6)将烧结产物取出，得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷。
16.优选地，步骤(1)中铝灰的主要成分按质量分数包括40％-60％al2o3、20％-40％al、3％-10％aln、3％-5％mgo、6％-15％sio2。
17.优选地，步骤(1)中晶体硅切割废料的主要成分为si微粉。
18.优选地，步骤(1)中造孔剂为煤粉、碳粉、淀粉、锯末中的一种或多种。
19.优选地，步骤(2)中球磨速度100～500r/min，球磨时间1～12h。
20.优选地，步骤(3)中将混合物进行压片成型，成型压力50～200mpa。
21.优选地，步骤(4)中样品体积与刚玉坩埚体积比为1:1.5～1:50。
22.优选地，步骤(5)中，升温速率为2～10℃/min，升温至1400℃～1600℃后保温1～10h。加热用炉体可以采用管式炉。
23.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.(1)本发明的基本思路是利用金属铝生产过程中产生的铝灰和晶体硅切割过程中产生的硅微粉固体废弃物分别作为铝源和硅源，在无机碳或有机碳作为造孔剂的基础上，利用固相反应烧结法在高温下合成具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料。本发明原料廉价易得、工艺简单、流程短、产品附加值高、易于工业推广。
25.(2)本发明利用铝灰和硅废料制备具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的方法，将铝灰、硅废料和造孔剂按比例混合，在密闭处理的前提下利用管式炉对其进行加热处理，随后即可得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷。过程主要包括配料、球磨、压制成型、密闭封装和烧结等步骤。利用该工艺生产的具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷产品，可望用于冶金、陶瓷及橡胶等行业。
26.(3)本发明中原料分别来自于铝生产过程中产生的铝灰固废和光伏工业中所产生的硅切割废料，无需添加昂贵的氮化物，极大的减少了成本，同时有利于节能减排。在制备过程中亦无需通入高纯氮气，而是利用空气中的氮气进行氮化，对设备要求较低。原料中的铝在高温下熔化并向外扩散，扩散至试样表面时与氧气发生反应生成较为致密的氧化铝包覆层，一定程度上隔绝了氧气向试样内部的扩散，为铝和硅的氮化提供了条件。
27.(4)塞隆陶瓷的抗氧化性能较差，在高温下易与空气中的氧气发生反应，而在本发明中自包覆层的生成可以阻碍氧气与塞隆陶瓷的接触，有效提高塞隆陶瓷的抗氧化性能。同时较为致密的自包覆层亦可提高塞隆多孔陶瓷的力学性能。
28.基于上述理由本发明可在塞隆陶瓷制备等领域广泛推广。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明图方法制备的具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的x射线衍射图谱。
31.图2为本发明方法制备的具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的扫描电镜照片(
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500倍)。
32.图3为本发明方法制备的具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的扫描电镜照片(
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2000倍)。
33.图4为本发明方法制备的具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的扫描电镜照片(
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5000倍)。
34.图5为本发明方法制备的具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷自包覆层的扫描电镜照片(
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100倍)。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明公开了一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，以铝灰和晶体硅切割废料分别作为铝源和硅源，经固相反应烧结法制备具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷，包括以下步骤：
37.(1)将铝灰、晶体硅切割废料及造孔剂按混合得到混合物，其中铝灰与晶体硅切割废料的质量比为2:1～6:1；造孔剂与铝灰的质量比为0:1～1:2；铝灰的主要成分按质量分数包括40％-60％al2o3、20％-40％al、3％-10％aln、3％-5％mgo、6％-15％sio2。晶体硅切割废料的主要成分为si微粉。造孔剂为煤粉、碳粉、淀粉、锯末中的一种或多种。
38.(2)将混合物置于球磨机中进行球磨；球磨速度100～500r/min，球磨时间1～12h。
39.(3)将球磨后的混合物进行压片成型，成型压力50～200mpa。
40.(4)将样品片置于刚玉坩埚中，并密封处理；样品体积与刚玉坩埚体积比为1:1.5～1:50。
41.(5)将刚玉坩埚放入炉体(可以采用管式炉，也可以采用其他炉体)以2～10℃/min的升温速率升温至1400℃～1600℃，后保温1～10h。
42.(6)将烧结产物取出，得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷。包覆层为致密的氧化铝包覆层。
43.实施例1
44.如图1～5所示，一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法：称取晶体硅切割废料9.71g，铝灰40.29g、0g碳粉进行充分混合；将混合物加入球磨机中进行球磨，500r/min，球磨时间2h，混合均匀后将混合物进行压片，成型压力200mpa，制备成直径15mm，高为10mm的试样，将试样置于刚玉坩埚中并密封处理，样品体积与刚玉坩埚体积比为1:10，随后将其置于管式炉中进行煅烧，温度制度如下：以5℃/min的升温速率升温至1600℃，保温2h，随后随炉冷却，取出冷却后的产物，即可得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料。自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料的x射线衍射图谱、扫描电镜照片详见图1至图5，可以明显看出其内部具有刚玉和塞隆，而且外部包覆有致密的氧化铝包覆层。
45.实施例2
46.一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法：称取晶体硅切割废料9.71g，铝灰40.29g、0g碳粉进行充分混合；将混合物加入球磨机中进行球磨，500r/min，球磨时间2h，混合均匀后将混合物进行压片，成型压力200mpa，制备成直径15mm的试样，将试样置于刚玉坩埚中并密封处理，样品体积与刚玉坩埚体积比为1:10，随后将其置于管式炉中进行煅烧，温度制度如下：以5℃/min的升温速率升温至1400℃，保温2h，随后随炉冷却，取出冷却后的产物，即可得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料。
47.实施例3
48.一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法：称取晶体硅切割废料20.15g，铝灰40.29g、20.15g煤粉进行充分混合；将混合物加入球磨机中进行球磨，100r/min，球磨时间2h，混合均匀后将混合物进行压片，成型压力200mpa，制备成直径15mm的试样，将试样置于刚玉坩埚中并密封处理，样品体积与刚玉坩埚体积比为1:10，随后将其置于管式炉中进行煅烧，温度制度如下：以5℃/min的升温速率升温至1400℃，保温2h，随后随炉冷却，取出冷却后的产物，即可得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料。
49.实施例4
50.一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法：称取晶体硅切割废料6.72g，铝灰40.29g、10g淀粉进行充分混合；将混合物加入球磨机中进行球磨，100r/min，球磨时间1h，混合均匀后将混合物进行压片，成型压力50mpa，制备成直径15mm的试样，将试样置于刚玉坩埚中并密封处理，样品体积与刚玉坩埚体积比为1:50，随后将其置于管式炉中进行煅烧，温度制度如下：以2℃/min的升温速率升温至1400℃，保温1h，随后随炉冷却，取出冷却后的产物，即可得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料。
51.实施例5
52.一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法：称取晶体硅切割废料9.71g，铝灰40.29g、10g锯末进行充分混合；将混合物加入球磨机中进行球磨，500r/min，球磨时间12h，混合均匀后将混合物进行压片，成型压力200mpa，制备成直径15mm的试样，将试样置于刚玉坩埚中并密封处理，样品体积与刚玉坩埚体积比为1:1.5，随后将其置于管式炉中进行煅烧，温度制度如下：以10℃/min的升温速率升温至1600℃，保温10h，随后随炉冷却，取出冷却后的产物，即可得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料。
53.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，以铝灰和晶体硅切割废料分别作为铝源和硅源，经固相反应烧结法制备具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷，包括以下步骤：(1)将铝灰、晶体硅切割废料及造孔剂按混合得到混合物，其中铝灰与晶体硅切割废料的质量比为2:1～6:1；造孔剂与铝灰的质量比为0:1～1:2；(2)将混合物置于球磨机中进行球磨；(3)将球磨后的混合物进行压片；(4)将样品片置于刚玉坩埚中，并密封处理；(5)将刚玉坩埚进行1400℃～1600℃的烧结；(6)将烧结产物取出，得到具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中铝灰的成分按质量分数包括40％-60％al2o3、20％-40％al、3％-10％aln、3％-5％mgo、6％-15％sio2。3.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中晶体硅切割废料成分为si微粉。4.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中造孔剂为煤粉、碳粉、淀粉、锯末中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中球磨速度100～500r/min，球磨时间1～12h。6.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中将混合物进行压片成型，成型压力50～200mpa。7.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中样品体积与刚玉坩埚体积比为1:1.5～1:50。8.根据权利要求1所述的一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，升温速率为2～10℃/min，升温至1400℃～1600℃后保温1～10h。

技术总结
本发明提供一种具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷的制备方法，利用金属铝生产过程中产生的铝灰和晶体硅切割过程中产生的硅微粉固体废弃物分别作为铝源和硅源，在造孔剂的基础上，利用固相反应烧结法在高温下合成具有自包覆结构的刚玉结合塞隆多孔陶瓷材料，主要包括配料、球磨、压制成型、密闭封装和烧结等步骤。无需添加昂贵的氮化物，极大的减少了成本，同时有利于节能减排。在制备过程中亦无需通入高纯氮气，而是利用空气中的氮气进行氮化，对设备要求较低。原料中的铝在高温下熔化并向外扩散，扩散至试样表面时与氧气发生反应生成较为致密的氧化铝包覆层，一定程度上隔绝了氧气向试样内部的扩散，为铝和硅的氮化提供了条件。了条件。了条件。


技术研发人员：刘朝阳 王骏阳 赵梓旭 杨求钰 覃力航 张开宸 于景坤
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/15