本發明屬于三元碳化物技術領域。尤其涉及一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料及其制備方法。

背景技術：

Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料具有低密度、耐高溫、良好的抗氧化和優異的抗水化性能的特點，在耐火材料領域顯現出極好的應用前景。在反應合成Al-C-Si三元碳化物的過程中伴隨有中間產物Al-C-O三元碳化物生成(Yu C,Zhu H,Yuan W,et al.Synthesis and oxidation behavior of Al₄SiC₄-Al-Si composites[J].International Journal of Materials Research,2014,105(8):793-796.Yu C,Yuan W,Deng C,et al.Synthesis of hexagonal plate-like Al₄SiC₄from calcined bauxite,silica and carbon black[J].Powder Technology,2013,247:76-80.)。

Al₄SiC₄的高溫穩定性能優異，同時具有優秀的抗水化與抗氧化能力，相對于Ti₃SiC₂碳化物和Ti₃AlC₂碳化物(Huang X,Wen G.Mechanical properties of Al₄SiC₄bulk ceramics produced by solid state reaction[J].Ceramics International,2007,33(3):453-458.)，Al₄SiC₄材料具有密度低、熱膨脹系數小和力學性能良好等優勢。但由于Al₄SiC₄材料主要由Al₄C₃與SiC合成制備(Inoue Z,Inomata Y,Tanaka H,et al.X-ray crystallographic data on aluminum silicon carbide,α-Al₄SiC₄and Al₄Si₂C₅[J].Journal of Materials Science,1980,15(3):575-580.)，原料價格昂貴，限制了該材料的工業化應用。

Al₄O₄C同樣具有良好的高溫穩定性能以及優秀的抗水化、抗氧化等性能，目前合成Al₄O₄C材料主要由氧化鋁粉和碳粉(趙建立,汪長安,孫加林,等.Al₄O₄C的碳熱還原合成及其反應動力學[J].硅酸鹽學報,2010,7:1292-1296.)或者由氧化鋁粉、碳粉及鋁粉(Zhang S,Yamaguchi A.Hydration resistances and reactions with CO of Al₄O₄C and Al₂OC formed in carbon-containing refractories with Al[J].Journal of the Ceramic Society of Japan,1996,104(3):393-398.)合成，但均不能制備出單相的Al₄O₄C粉體。

技術實現要素：

本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提供一種成本低和適于工業化生產的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料的制備方法；用該方法制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料純度高和晶體形貌好。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：以17～26wt％的鋁粉、14～19wt％的二氧化硅粉和56～68wt％的碳源為原料，外加所述原料3～7wt％的結合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機壓成型，置入高溫碳管爐內，在氬氣氛和1300℃～1900℃條件下保溫1～10h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料。

所述碳源為石墨、炭黑和焦炭中的一種。

所述鋁粉的Al含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述二氧化硅粉的SiO₂含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述碳源的C含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述結合劑為酚醛樹脂、水玻璃、硫酸鋁中的一種。

所述機壓成型的壓強為10Mpa～40Mpa。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

①本發明以碳源作為還原劑，反應過程中碳源對金屬氧化物的還原作用是通過生成一氧化碳來完成。由于碳和氧的化學親和力與反應溫度成正比，反應溫度在1300℃以上時碳源幾乎可以還原任何氧化物，相對于單質原料的高成本，碳源和金屬氧化物的成本低，同時碳源來源廣泛。故本發明采用碳還原法制備Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料，工藝簡單且成本較低。

②本發明制備的復合粉體晶體形貌好，部分Al₄SiC₄與Al₄O₄C晶粒交錯生長，有利于提高材料的韌性；所制制品主要分布著多面體顆粒和片狀小顆粒，晶粒表面平滑，多面體顆粒和片狀小顆粒交錯生長，其中部分片狀小顆粒從多面體晶粒內部向外發育生長。本發明制備的復合粉體材料只有Al₄SiC₄和Al₄O₄C兩種物質，純度較高。

因此，本發明具有成本低和適于工業化生產的特點，制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料純度高晶體形貌好。

附圖說明

圖1為本發明制備的一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料的XRD圖譜；

圖2為圖1所示Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料的SEM圖片。

具體實施方式

現結合具體實施方式對本發明作進一步的描述，并非對其保護范圍的限制。

為避免重復，先將本具體實施方式所涉及的原料統一描述如下，實施例中不再贅述：

所述鋁粉的Al含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述二氧化硅粉的SiO₂含量≥98wt％，粒度≤200μm。

所述碳源的C含量≥98wt％，粒度≤200μm。

實施例1

一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料及其制備方法。以17～20wt％的鋁粉、14～17wt％的二氧化硅粉和64～68wt％的碳源為原料，外加所述原料3～5wt％的結合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機壓成型，置入高溫碳管爐內，在氬氣氛和1300℃～1500℃條件下保溫7～10h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料。

本實施例中：所述碳源為石墨；所述結合劑為酚醛樹脂；所述機壓成型的壓強為10～20Mpa。

實施例2

一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料及其制備方法。以20～23wt％的鋁粉、15～18wt％的二氧化硅粉和60～64wt％的碳源為原料，外加所述原料4～6wt％的結合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機壓成型，置入高溫碳管爐內，在氬氣氛和1500℃～1700℃條件下保溫4～7h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料。

本實施例中：所述碳源為焦炭；所述結合劑為水玻璃；所述機壓成型的壓強為20～30Mpa。

實施例3

一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料及其制備方法。以23～26wt％的鋁粉、16～19wt％的二氧化硅粉和56～60wt％的碳源為原料，外加所述原料5～7wt％的結合劑，混合均勻，烘干，得到混合料；將所述混合料機壓成型，置入高溫碳管爐內，在氬氣氛和1700℃～1900℃條件下保溫1～4h，自然冷卻，即得Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料。

本實施例中：所述碳源為炭黑；所述結合劑為硫酸鋁；所述機壓成型的壓強為30～40Mpa。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

①本發明以碳源作為還原劑，反應過程中碳源對金屬氧化物的還原作用是通過生成一氧化碳來完成。由于碳和氧的化學親和力與反應溫度成正比，反應溫度在1300℃以上的情況下碳源幾乎可以還原任何氧化物。相對于單質原料的高成本，碳源和金屬氧化物的成本較低，同時碳源來源廣泛。故本發明采用碳還原法制備Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料，工藝簡單且成本較低。

②圖1為實施例2制備的一種Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料的XRD圖譜；圖2為圖1所示Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料的SEM圖片。由圖1可看出：制品僅有Al₄SiC₄與Al₄O₄C對應的衍射峰，沒有其他物相對應的衍射峰；制備出的粉體晶體形貌好，部分Al₄SiC₄與Al₄O₄C晶粒交錯生長，有利于提高材料的韌性。由圖2可看出：制品主要分布著多面體顆粒和片狀小顆粒，晶粒表面平滑，多面體顆粒和片狀小顆粒交錯生長，其中部分片狀小顆粒從多面體晶粒內部向外發育生長。故本具體實施方式制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合粉體材料形貌好和純度高，制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合粉體材料只有Al₄SiC₄和Al₄O₄C兩種物質。

因此，本發明具有成本低和適于工業化生產的特點，制備的Al₄SiC₄-Al₄O₄C復合材料純度高晶體形貌好。