一种高效利用粉煤灰制备Si3N4/SiC/AlN复合陶瓷的方法与流程

一种高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的方法
技术领域
1.本发明属于粉煤灰材料高效利用、复合陶瓷粉体的制备技术领域，具体涉及一种高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的方法。


背景技术：

2.粉煤灰是燃煤电厂在运行中产生的固体废弃物，已成为我国最大单一固体污染源，其不正确处理将会导致严重的环境污染问题，严重影响我国生态文明建设进程，因此粉煤灰的高附加值资源化利用路线亟待开发。
3.当前粉煤灰的主要利用方式为在建筑建材领域，包括制水泥、砖及墙体和制混凝土、矿坑回填和铺路、矿物提取以及制备陶瓷粉体。使用粉煤灰作为原料制备功能陶瓷，是粉煤灰资源化利用的一条具有光明前景的道路，但是目前仍旧存在制备工艺复杂，投资大，制得的陶瓷产物应用市场局限性大的问题。此外，我国储能需求增长迅猛，廉价的导热陶瓷材料需求迫切；因此，以高效利用燃料燃烧所产生烟气粉煤灰为背景，促进新能源发展助力碳中和为目的进行高导热陶瓷材料的研究，是目前的科研重点，将具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供一种高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的方法。
5.一种高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的方法，它按以下步骤实现：
6.一、将粉煤灰和碳源放入球磨机中混匀，然后放入铝制模具中，再采用液压机压制成型，得到压制成型块体；
7.二、上述压制成型块体置于石墨坩埚中，通入反应气体于管式炉内依次进行碳化反应和烧结反应，获得si3n4/sic/aln复合陶瓷，即完成所述制备方法；
8.所述碳源为褐煤、锯末、木材中的一种或几种的组合物；
9.所述粉煤灰和碳源的质量比为(1～5):5；
10.所述球磨机的转速为150～500r/min，球磨时间为0.5～6h，球料比为(1～2):1，磨球材质为硬质合金；
11.所述压制成型的压力为0.1～10吨；
12.所述通入反应气体的流速为20～100ml/min，通入时间为烧结反应结束；
13.所述反应气体为n2气体，反应气体纯度≥99.99％；
14.所述碳化反应的温度为600～800℃，保温时间为2～6h；
15.所述烧结反应的温度为1400～1550℃，保温时间为1～5h；
16.所述烧结反应：先以5℃/min的速率升温至0～500℃，然后以1～3℃/min的速率继续升温至500℃～800℃，再以5℃/min的速率继续升温至800℃～1000℃，最后以2.5℃/min的速率继续升温至1000℃以上，结束后的降温速率与500℃以上的升温速率保持相同。
17.本发明的反应原理是：粉煤灰含有的al2o3、sio2等物质，以粉煤灰为原料引入二氧
化硅与氧化铝作为反应物。后续分别引入碳源在高温环境下反应后实现si3n4、sic、aln组分的引入。此外同时在高温反应中引入n2气体充当惰性氛围和氮源参与si3n4和aln的生成；并且采用直接成型后进行反应的方法制备成si3n4/sic/aln复合陶瓷。
18.本发明的有益效果是：通过引入粉末相固体和n2气体，与粉煤灰中sio2组分相互作用，实现sic、si3n4和aln的生成。本发明的制备方法简单，过程易控制，适合大规模工业化生产，本发明采用大宗工业固废粉煤灰作为原料，降低成本，最大程度实现粉煤灰高附加值资源化利用，提高我国粉煤灰综合利用能力。
19.本发明适用于高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷。
附图说明
20.图1是实施例中高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的xrd谱图；
21.图2是实施例中高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的微观形貌图。
具体实施方式
22.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
23.具体实施方式一：本实施方式一种高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的方法，它按以下步骤实现：
24.一、将粉煤灰和碳源放入球磨机中混匀，然后放入铝制模具中，再采用液压机压制成型，得到压制成型块体；
25.二、上述压制成型块体置于石墨坩埚中，通入反应气体于管式炉内依次进行碳化反应和烧结反应，获得si3n4/sic/aln复合陶瓷，即完成所述制备方法。
26.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中所述碳源为褐煤、锯末、木材中的一种或几种的组合物。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
27.本实施方式中碳源为组合物时，各组分按任意比混合。
28.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤一中所述粉煤灰和碳源的质量比为(1～5):5。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
29.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，步骤一中所述球磨机的转速为150～500r/min，球磨时间为0.5～6h，球料比为(1～2):1，磨球材质为硬质合金。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
30.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，步骤二中所述压制成型的压力为0.1～10吨。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
31.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，步骤二中所述通入反应气体的流速为20～100ml/min，通入时间为烧结反应结束。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
32.本实施方式中通入反应气体需要全程保持n2气体的流速稳定通入。
33.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，步骤二中所述反应气体为n2气体，反应气体纯度≥99.99％。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
34.本实施方式中n2气体的作用是充当惰性气体以及氮源。
35.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，步骤二中所述碳化反应的温度为600～800℃，保温时间为2～6h。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
36.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，步骤二中所述烧结反应的温度为1400～1550℃，保温时间为1～5h。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
37.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，步骤二中所述烧结反应：先以5℃/min的速率升温至0～500℃，然后以1～3℃/min的速率继续升温至500℃～800℃，再以5℃/min的速率继续升温至800℃～1000℃，最后以2.5℃/min的速率继续升温至1000℃以上，结束后的降温速率与500℃以上的升温速率保持相同。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
38.通过以下实施例验证本发明的有益效果：
39.实施例：
40.一种高效利用粉煤灰制备si3n4/sic/aln复合陶瓷的方法，它按以下步骤实现：
41.一、将粉煤灰和碳源放入球磨机中混匀，然后放入铝制模具中，再采用液压机压制成型，得到压制成型块体；
42.二、上述压制成型块体置于石墨坩埚中，通入反应气体于管式炉内依次进行碳化反应和烧结反应，获得si3n4/sic/aln复合陶瓷，即完成所述制备方法；
43.所述碳源为锯末；
44.所述粉煤灰和碳源的质量比为5:1；
45.所述球磨机的转速为500r/min，球磨时间为2h，球料比为1:1，磨球材质为硬质合金；
46.所述压制成型的压力为1吨；
47.所述通入反应气体的流速为40ml/min，通入时间为烧结反应结束；通入反应气体需要全程保持n2气体的流速稳定通入；
48.所述反应气体为n2气体，反应气体纯度≥99.99％；n2气体的作用是充当惰性气体以及氮源；
49.所述碳化反应的温度为800℃，保温时间为4h；
50.所述烧结反应的温度为1500℃，保温时间为2h；
51.所述烧结反应：先以5℃/min的速率升温至0～500℃，然后以1～3℃/min的速率继续升温至500℃～800℃，再以5℃/min的速率继续升温至800℃～1000℃，最后以2.5℃/min的速率继续升温至1000℃以上，结束后的降温速率与500℃以上的升温速率保持相同。
52.本实施例中采用管式炉，在实际生产中扩大烧结，可先抽真空后通入保护气体再烧结。
53.本实施例中高效利用粉煤灰制备得到si3n4/sic/aln复合陶瓷，其x射线衍射(xrd)谱图如图1所示，最终产物中产生了很强的3c-sic的衍射峰，说明本实施例的方法实现了碳化硅组分的引入。除碳化硅成分之外，由于氮气的引入同样探测到si3n4、aln组分的生成，说明采用本实施例中方法成功制备出si3n4/sic/aln复合陶瓷。
54.本实施例中制备所得si3n4/sic/aln复合陶瓷，其微观形貌如图2中可知，在n2气氛下，反应产物多为大的颗粒状，压片成型后为典型陶瓷形貌。