CN110451992A - 一种二氧化硅结合碳化硅制品及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：碳化硅粗粉60～70％、碳化硅细粉15～25％、碳粉粉末1～5％、二氧化硅微粉0.5～1.5％、水性有机硅树脂1～5％及纤维素衍生物1～5％。本发明还公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法，包括：将碳化硅粗粉、碳化硅细粉、碳粉粉末、二氧化硅微粉、水性有机硅树脂及纤维素衍生物搅拌均匀后加入捏炼机，以捏炼成可塑泥料；对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯；将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。本发明制备的二氧化硅结合碳化硅制品具有强度高、耐高温、密度大的优点。

Description

一种二氧化硅结合碳化硅制品及其制备方法

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，更具体地说，本发明涉及一种二氧化硅结合碳化硅制品及其制备方法。

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，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℃，但在其它杂质的作用下，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。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，使碳化硅材料的高温性能明显降低。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供了一种强度高、耐高温、密度大的二氧化硅结合碳化硅制品及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括以下原料：

碳化硅粗粉60～70％、碳化硅细粉15～25％、碳粉粉末1～5％、二氧化硅微粉0.5～1.5％、水性有机硅树脂1～5％及纤维素衍生物1～5％。

优选地，本发明中，所述碳化硅粗粉的粒径为30～100μm，所述碳化硅细粉的粒径为0.01～1μm，所述碳粉粉末的粒径为0.1～50μm，所述二氧化硅微粉的粒径为0.1～50μm。

优选地，本发明中，所述水性有机硅树脂为聚甲基硅树脂或聚乙基硅树脂。

优选地，本发明中，所述纤维素衍生物为羧甲基纤维素或者羟丙基甲基纤维素。

本发明还公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将60～70％的碳化硅粗粉、15～25％的碳化硅细粉、1～5％的碳粉粉末、0.5～1.5％的二氧化硅微粉、1～5％的水性有机硅树脂及1～5％的纤维素衍生物搅拌均匀后加入捏炼机，在捏炼机内加水以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1300～1500℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

优选地，本发明中，所述步骤二中，真空挤压成型的条件为：

真空度为-200mmHg～-450mmHg，挤压压强为1MPa～2MPa，温度60～90℃。

本发明中利用水性有机硅树脂作为粘结剂，其高温裂解出硅源；在加热烧成过程中，硅源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，二氧化硅微粉结合碳化硅材料的氧化由表面向内逐步进行，在材料内氧分压较低时，水性有机硅树脂热解形成的剩余无定型硅与碳粉粉末反应生成碳化硅，随着氧分压的升高，新生成的碳化硅会被氧化生成氧化硅，将碳化硅更好地结合起来，保证了制品的密度；新生成的碳化硅均匀分布于材料内更有利于材料结构均匀，提高了材料的高温性能。水性有机硅树脂和纤维素衍生物的加入可避免引入硅粉，使碳化硅材料的高温性能更加优异。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供的二氧化硅结合碳化硅制品具有高强度、密度大、耐高温的优点，抗热震性从1300℃取出在室温空气中急冷循环10次不裂。

2、本发明提供的二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法中采用真空低温挤压深度脱水，降低了热能消耗，提高了生产效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：

碳化硅粗粉62.5％、碳化硅细粉25％、碳粉粉末1％、二氧化硅微粉1.5％、聚甲基硅树脂5％、羧甲基纤维素5％。

碳化硅粗粉的粒径为100μm，碳化硅细粉的粒径为1μm，碳粉粉末的粒径为1μm，所述二氧化硅微粉的粒径为1μm。

上述二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将62.5％的碳化硅粗粉、25％的碳化硅细粉、1％的碳粉粉末、1.5％的二氧化硅微粉、5％的聚甲基硅树脂、5％的羧甲基纤维素搅拌均匀后加入捏炼机，在捏炼机内加水以将混合均匀混合料捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯，真空度为-200mmHg，挤压压强为1MPa，温度60℃；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1300℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

实施例2

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：

碳化硅粗粉70％、碳化硅细粉15％、碳粉粉末5％、二氧化硅微粉1％、聚乙基硅树脂5％、羟丙基甲基纤维素4％。

碳化硅粗粉的粒径为30μm，碳化硅细粉的粒径为0.01μm，碳粉粉末的粒径为50μm，所述二氧化硅微粉的粒径为50μm。

上述二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将70％的碳化硅粗粉、15％的碳化硅细粉、5％的碳粉粉末、1％的二氧化硅微粉、5％的聚乙基硅树脂、4％的羟丙基甲基纤维素搅拌均匀后加入捏炼机，以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯，真空度为-300mmHg，挤压压强为1.5MPa，温度80℃；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1400℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

实施例3

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：

碳化硅粗粉70％、碳化硅细粉20％、碳粉粉末3％、二氧化硅微粉1％、聚乙基硅树脂3％、羟丙基甲基纤维素3％。

碳化硅粗粉的粒径为50μm，碳化硅细粉的粒径为0.5μm，碳粉粉末的粒径为20μm，所述二氧化硅微粉的粒径为20μm。

上述二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将70％的碳化硅粗粉、20％的碳化硅细粉、3％的碳粉粉末、1％的二氧化硅微粉、3％的聚乙基硅树脂、3％的羟丙基甲基纤维素搅拌均匀后加入捏炼机，以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯，真空度为-400mmHg，挤压压强为2MPa，温度90℃；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1500℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

实施例4

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：

碳化硅粗粉65％、碳化硅细粉20％、碳粉粉末4％、二氧化硅微粉1.5％、聚乙基硅树脂5％、羧甲基纤维素4.5％。

碳化硅粗粉的粒径为100μm，碳化硅细粉的粒径为0.1μm，碳粉粉末的粒径为1μm，所述二氧化硅微粉的粒径为1μm。

上述二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将65％的碳化硅粗粉、20％的碳化硅细粉、4％的碳粉粉末、1.5％的二氧化硅微粉、5％的聚乙基硅树脂、4.5％的羧甲基纤维素搅拌均匀后加入捏炼机，以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯，真空度为-450mmHg，挤压压强为1.5MPa，温度70℃；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1450℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

实施例5

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：

碳化硅粗粉67.5％、碳化硅细粉24％、碳粉粉末5％、二氧化硅微粉1.5％、聚甲基硅树脂1％、羟丙基甲基纤维素1％。

碳化硅粗粉的粒径为60μm，碳化硅细粉的粒径为1μm，碳粉粉末的粒径为1μm，所述二氧化硅微粉的粒径为1μm。

上述二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将67.5％的碳化硅粗粉、24％的碳化硅细粉、5％的碳粉粉末、1.5％的二氧化硅微粉、1％的聚甲基硅树脂、1％的羟丙基甲基纤维素搅拌均匀后加入捏炼机，以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯，真空度为-300mmHg，挤压压强为1.5MPa，温度80℃；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1500℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

实施例6

本发明公开了一种二氧化硅结合碳化硅制品，按质量分数计，包括：

碳化硅粗粉63％、碳化硅细粉23％、碳粉粉末5％、二氧化硅微粉1％、聚乙基硅树脂4％、羧甲基纤维素4％。

碳化硅粗粉的粒径为50μm，碳化硅细粉的粒径为0.2μm，碳粉粉末的粒径为30μm，所述二氧化硅微粉的粒径为20μm。

上述二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将63％的碳化硅粗粉、23％的碳化硅细粉、5％的碳粉粉末、1％的二氧化硅微粉、4％的聚乙基硅树脂、4％的羧甲基纤维素搅拌均匀后加入捏炼机，以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯，真空度为-300mmHg，挤压压强为2MPa，温度80℃；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1400℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

对实施例1～实施例6制备的二氧化硅结合碳化硅制品的性能进行了测试，其表现为均具有2000℃的高温负载能力，抗弯强度大于500MPa。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (6)

1.一种二氧化硅结合碳化硅制品，其特征在于，按质量分数计，包括以下原料：

碳化硅粗粉60～70％、碳化硅细粉15～25％、碳粉粉末1～5％、二氧化硅微粉0.5～1.5％、水性有机硅树脂1～5％及纤维素衍生物1～5％。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅结合碳化硅制品，其特征在于，所述碳化硅粗粉的粒径为30～100μm，所述碳化硅细粉的粒径为0.01～1μm，所述碳粉粉末的粒径为0.1～50μm，所述二氧化硅微粉的粒径为0.1～50μm。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅结合碳化硅制品，其特征在于，所述水性有机硅树脂为聚甲基硅树脂或聚乙基硅树脂。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化硅结合碳化硅制品，其特征在于，所述纤维素衍生物为羧甲基纤维素或者羟丙基甲基纤维素。

5.一种制备根据权利要求1～4所述的二氧化硅结合碳化硅制品的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将60～70％的碳化硅粗粉、15～25％的碳化硅细粉、1～5％的碳粉粉末、0.5～1.5％的二氧化硅微粉、1～5％的水性有机硅树脂及1～5％的纤维素衍生物搅拌均匀后加入捏炼机，在捏炼机内加水以捏炼成含水量为7～15％的可塑泥料；

步骤二、对所述可塑泥料进行真空挤压成型，得到成型坯；

步骤三、将所述成型坯置于高温窑炉内进行烧成，烧成温度为1300～1500℃，烧成后冷却至室温即得二氧化硅结合碳化硅制品。

6.根据权利要求5所述的一种二氧化硅结合碳化硅制品的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，真空挤压成型的条件为：

真空度为-200mmHg～-450mmHg，挤压压强为1MPa～2MPa，温度60～90℃。