專利名稱：利用含鈦爐渣制備TiN/O’－Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電材料的制備方法，具體涉及利用含鈦爐渣為主要原料制備TiN/O’-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的方法。
背景技術(shù)：
采用原位反應(yīng)燒結(jié)法制備TiN復(fù)合O′-Sialon材料已有報(bào)道，但目前國內(nèi)外尚未見利用含鈦爐渣為原料采用碳熱還原氮化法制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電材料的任何報(bào)道。原位反應(yīng)燒結(jié)法雖可制備純度較高、性能較好的TiN/O′-Sialon導(dǎo)電材料，但由于其原料為純?cè)噭?，價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本高且不適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)而使其應(yīng)用受到限制。而且由于我國含鈦爐渣產(chǎn)量大，對(duì)其進(jìn)行合理應(yīng)用非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種利用含鈦爐渣低成本制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的方法。也就是利用產(chǎn)量大、成本低廉的含鈦爐渣為主要原料，以硅灰和鋁礬土調(diào)整成分，采用碳熱還原氮化法制備TiN/O′-Sialon這一既有結(jié)構(gòu)性質(zhì)又有很好導(dǎo)電性的材料。達(dá)到工藝簡(jiǎn)單易行而且又適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。大大降低TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的制備成本，為我國含鈦爐渣無新的廢棄和污染且生態(tài)化的整體利用提供一條新途徑。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案以含鈦爐渣為主要原料，用SiO2含量為82～90wt％的硅灰，Al2O3含量為79～85wt％鋁礬土調(diào)整成分，碳黑為還原劑，分兩步制取TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料第一步合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料粉末(1)球磨對(duì)粒度較大的原料含鈦爐渣進(jìn)行細(xì)磨；(2)過篩用200目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)上述球磨后的原料粉進(jìn)行篩分；(3)配料選取合成O′-Sialon化學(xué)式為Si2xAlxO1+xN2-x，式中x＝0.3，確定配方，所用原料按如下質(zhì)量百分比配制含鈦爐渣為25.29～41.00％，硅灰為33.91～47.85％，鋁礬土為4.44～6.93％，碳黑為19.93～20.65％；(4)濕混將配好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)混合成料漿，濕混時(shí)間為24小時(shí)；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于60℃下烘干；(6)干混將烘干后的混合料再干混4小時(shí)，并將所得坯料置于干燥器中保存；(7)模壓成型將坯料單軸向壓制成型，成型壓力為25MPa，保壓1min；(8)高溫?zé)蓪⑸鲜鰤褐瞥尚偷呐髁?，置于石墨坩堝?nèi)，用MoSi2高溫電阻爐加熱，在一個(gè)大氣壓、燒成溫度為1350～1400℃，恒溫7～8小時(shí)，升溫和降溫速度均為3～5℃/min，燒成過程中，加熱爐內(nèi)通入流量為400～800ml/min的流動(dòng)氮?dú)鈼l件下進(jìn)行燒成；(9)燒去殘?zhí)紴榉乐篃煞勰┲蠺iN相氧化，將上述燒成的粉末置于馬弗爐內(nèi)，在580℃空氣中恒溫6小時(shí)進(jìn)行熱處理，去除殘余的游離碳；第二步TiN/O′～Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的制備采用兩種原料配制一種是將第一步合成的TiN/O′-Sialon粉與占原料總重量3％的Sm2O3添加劑混合；另一種是直接以第一步合成的TiN/O′-Sialon粉為原料，不加任何添加劑；將上述配好的第一種或第二種原料粉末單向模壓成型，成型壓力200MPa，保壓1min。將上述模壓成型的生坯放入石墨坩堝中，埋Si3N4+SiO2粉，其中Si3N4與SiO2的摩爾比為1∶1，燒成爐選用MoSi2高溫電阻爐，在常壓、燒成溫度為1450～1500℃，保溫時(shí)間2小時(shí)，升溫和降溫速度均為3～5℃/min，采用通高純氮?dú)?和埋粉保護(hù))條件下，進(jìn)行燒成，制取TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料。所采用的高純度氮?dú)饬髁靠刂圃隗w系內(nèi)對(duì)外界環(huán)境為正壓。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1、充分利用了產(chǎn)量大、成本低廉的含鈦爐渣為主要原料，因此不僅生產(chǎn)成本會(huì)大大降低，而且為我國大量含鈦爐渣的利用開辟了新途徑，同時(shí)減少了環(huán)境污染；2、本發(fā)明利用含鈦爐渣合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電材料，不僅工藝簡(jiǎn)單，所獲取的產(chǎn)品，導(dǎo)電相TiN顆粒細(xì)小，彌散在基相O′-Sialon的晶界處，與基相相容性好，具有各種優(yōu)良的性能(1)屬于高密度、高硬度、高強(qiáng)度材料。體積密度可達(dá)2.8～3.2g/cm3，維氏硬度8～12GPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到110～200MPa；(2)當(dāng)初始原料中TiO2加入量大于25％時(shí)，生成的TiN在基體中呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致材料電阻率急劇降低，常溫電阻率為10-2～10-3Ω·cm，(3)具有較低的熱膨脹系數(shù)4.2×10-6～5.9×10-6K-1；(4)具有較高的抗空氣氧化性能。在空氣中發(fā)生“鈍化氧化”，試樣外層能形成“保護(hù)膜”，阻止氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1第一步合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷粉末。取廢棄的含鈦爐渣，置于聚氨酯球磨罐中進(jìn)行研磨，用200目的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分；原料配比為含鈦爐渣30.46g，硅灰43.26g，鋁礬土6.11g，碳黑20.17g。將配制好的混合料置于聚氨酯球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)濕混24h，然后將料漿放入烘箱中于60℃下烘干。待混合料充分干燥后再干混4h，以確?；旌狭铣浞志鶆?，并將坯料放入鋼模中，在25MPa壓力下用單軸向機(jī)壓成Φ15mm的小圓坯。將壓制成的坯料裝入石墨坩堝中，置于立式MoSi2電阻爐恒溫帶中，由爐底連續(xù)通入氮?dú)?N％＞99％)，常壓下，用XMTA-1型溫控儀(上海亞太精密儀表廠)進(jìn)行控溫，升溫速度約5℃/min，降溫速度約4℃/min，燒結(jié)溫度為1400℃，恒溫7h，氮?dú)饬髁繛?00ml/min條件下進(jìn)行燒結(jié)。將燒成后的樣品放在瑪瑙研缽中研磨成粉末，然后將其置于馬弗爐內(nèi)，在580℃空氣中恒溫6小時(shí)進(jìn)行熱處理，以去除殘余的游離碳。檢測(cè)結(jié)果表明合成粉末中主要物相為O′-Sialon和TiN，二者之和占產(chǎn)物總量的70％以上，此外還有少量β′-Sialon和未反應(yīng)的TiO2。
第二步制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料。將上述合成的TiN/O′-Sialon粉放入鋼模中，于200MPa下單軸向干壓成直徑為5.7mm×5.7mm×40mm的條狀試樣。將試樣條裝入石墨坩堝中，置于立式MoSi2電阻爐恒溫帶中，在常壓下進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)過程中由爐底連續(xù)通入高純氮?dú)?，N％＞99.999％，N2流量20ml/min并埋Si3N4+SiO2粉，Si3N4∶SiO2＝1∶1(摩爾比)。燒結(jié)溫度為1500℃，升溫速度為5℃/min，保溫時(shí)間2h，降溫速度為3℃/min，檢測(cè)結(jié)果表明合成的TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料中主要物相為O′-Sialon和TiN，不含有β′-Sialon和TiO2相。該材料體積密度為3.1g/cm3，維氏硬度達(dá)10GPa，抗折強(qiáng)度達(dá)170MPa，常溫電阻率為5.32×10-3Ω·cm；熱膨脹系數(shù)5.5×10-6K-1。1260℃氧化1h后，單位面積氧化增重為5.95mg/cm2。
實(shí)施例2第一步合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷粉末。原料配比為取含鈦爐渣25.29g，硅灰47.85g，鋁礬土6.93g，碳黑19.93g。燒結(jié)溫度1375℃，恒溫8h，氮?dú)饬髁繛?00ml/min。第二步制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料。燒結(jié)溫度1450℃，升溫速度為3℃/min，保溫2h，降溫速度為5℃/min，以上兩步驟中的其它工藝過程和工藝條件同實(shí)施例1。檢測(cè)結(jié)果表明合成粉末中主要物相為O′-Sialon和TiN，此外還有少量β′-Sialon和未反應(yīng)的TiO2。合成的TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料中主要物相為O′-Sialon和TiN，不含有β′-Sialon和TiO2相。該材料體積密度為2.9g/cm3，維氏硬度達(dá)9GPa，抗折強(qiáng)度達(dá)150MPa；常溫電阻率為1.80×10-2Ω·cm；熱膨脹系數(shù)5.4×10-6K-1；1260℃氧化1h后，單位面積氧化增重為5.23mg/cm2。
實(shí)施例3第一步合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷粉末。原料配比為取含鈦爐渣41.00g，硅灰33.91g，鋁礬土4.44g，碳黑20.65g。燒結(jié)溫度1350℃，恒溫8h，氮?dú)饬髁繛?00ml/min。第二步制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料，燒結(jié)溫度1475℃，保溫2h。以上兩步驟的其它工藝過程和工藝條件同實(shí)施例1。檢測(cè)結(jié)果表明合成粉末中主要物相為O′-Sialon和TiN，此外還有少量β′-Sialon和未反應(yīng)的TiO2。合成的TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料中主要物相為O′-Sialon和TiN，不含有β′-Sialon和TiO2相。該材料體積密度為2.8g/cm3，維氏硬度達(dá)8GPa，抗折強(qiáng)度達(dá)110MPa；常溫電阻率為1.33×10-3Ω·cm；熱膨脹系數(shù)5.6×10-6K-1；1260℃氧化1h后，單位面積氧化增重為7.19mg/cm2。
實(shí)施例4第一步合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷粉末的原料配比及具體工藝過程和工藝條件同實(shí)施例1。第二步制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料。以第一步合成的粉末為原料，并加入占原料總量3％的Sm2O3作為添加劑，燒結(jié)溫度為1500℃，升溫速度為4℃/min，保溫時(shí)間2h，降溫速度為4℃/min，其它工藝條件同實(shí)施例1。合成的TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料中主要物相為O′-Sialon和TiN，不含有β′-Sialon和TiO2相。該材料體積密度為3.2g/cm3，維氏硬度達(dá)12GPa，抗折強(qiáng)度達(dá)200MPa；常溫電阻率為1.12×10-3Ω·cm；熱膨脹系數(shù)5.9×10-6K-1；1260℃氧化1h后，單位面積氧化增重為5.11mg/cm2。
權(quán)利要求
1.一種利用含鈦爐渣制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的方法，其特征在于以含鈦爐渣為主要原料，用SiO2含量為82～90wt％的硅灰和Al2O3含量為79～85wt％的鋁礬土調(diào)整成分，碳黑為還原劑，分兩步制取TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料第一步合成TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料粉末(1)球磨對(duì)粒度較大的原料含鈦爐渣進(jìn)行細(xì)磨；(2)過篩用200目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)上述球磨后的原料粉進(jìn)行篩分；(3)配料選用合成O′-Sialon化學(xué)式為Si2xAlxO1+xN2-x，式中x＝0.3，確定配方，所用原料按如下質(zhì)量百分比配制含鈦爐渣為25.29～41.00％，硅灰為33.91～47.85％，鋁礬土為4.44～6.93％，碳黑為19.93～20.65％；(4)濕混將配好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)混合成料漿，濕混時(shí)間為24小時(shí)；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于60℃下烘干；(6)干混將烘干后的混合料再干混4小時(shí)，并將所得坯料置于干燥器中保存；(7)模壓成型將坯料單軸向壓制成型，成型壓力為25MPa，保壓1min；(8)高溫?zé)蓪⑸鲜鰤褐瞥尚偷呐髁希糜谑釄鍍?nèi)，用MoSi2高溫電阻爐加熱，在一個(gè)大氣壓、燒成溫度為1350～1400℃，恒溫7～8小時(shí)，升溫和降溫速度均為3～5℃/min，燒成過程中，加熱爐內(nèi)通入流量為400～800ml/min的流動(dòng)氮?dú)鈼l件下進(jìn)行燒成；(9)燒去殘?zhí)紝⑸鲜鰺傻姆勰┲糜隈R弗爐內(nèi)，在580℃空氣中恒溫6小時(shí)進(jìn)行熱處理，去除殘余的游離碳；第二步TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的制備采用兩種原料配制一種是將第一步合成的TiN/O′-Sialon粉與占原料總重量3％的Sm2O3添加劑混合；另一種是直接以第一步合成的TiN/O′-Sialon粉為原料，不加任何添加劑；將上述配好的第一種或第二種原料粉末單向模壓成型，成型壓力200MPa，保壓1min；將模壓成型的生坯放入石墨坩堝內(nèi)，燒成爐為MoSi2高溫電阻爐，埋Si3N4+SiO2粉，Si3N4與SiO2的摩爾比為1∶1，在常壓、燒成溫度為1450～1500℃，保溫時(shí)間2小時(shí)，升溫和降溫速度均為3～5℃/min，通入高純氮?dú)鈼l件下進(jìn)行燒成，制取TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的利用含鈦爐渣制備TiN/O′-Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的方法，其特征在于第二步燒成爐內(nèi)通入高純度氮?dú)獾牧髁?，控制在體系內(nèi)對(duì)外界環(huán)境為正壓。
全文摘要
本發(fā)明所涉及利用含鈦爐渣制備TiN/O′－Sialon導(dǎo)電陶瓷材料的方法，分兩步制取第一步合成TiN/O′－Sialon導(dǎo)電陶瓷粉末(1)球磨；(2)過篩；(3)配料按質(zhì)量百分比含鈦爐渣為25.29～41.00，硅灰為33.91～47.85，鋁礬土為4.44～6.93，碳黑為19.93～20.65；(4)濕混以無水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行混合；(5)干燥在60℃下烘干；(6)干混4小時(shí)；(7)單軸向壓制成型；(8)高溫?zé)稍谝粋€(gè)大氣壓、溫度1350～1400℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下燒成；(9)燒去殘?zhí)?；第二步是將第一步合成的TiN/O′－Sialon粉末模壓成型后，在高溫爐中，埋粉條件下燒結(jié)，獲取TiN/O′－Sialon導(dǎo)電陶瓷材料，產(chǎn)品具有良好機(jī)械性能和很好導(dǎo)電性能。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制造成本低，為我國含鈦爐渣整體綜合利用開辟了新途徑，有利改善社會(huì)環(huán)境。
文檔編號(hào)C04B35/622GK1772704SQ20051004729
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者薛向欣, 姜濤, 段培寧 申請(qǐng)人:東北大學(xué)