[发明专利]氧化锆－碳化硅复合粉体的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于复合粉体制备技术，具体来说是以含ZrO₂、SiO₂的矿物和工业废弃物以及含碳材料等为原料，通过碳热还原法合成氧化锆-碳化硅复合粉体的技术。

背景技术：

由于氧化锆具有优良的耐高温、耐磨损以及耐侵蚀等性能，而被广泛地应用于航空、化工、电子以及机械等各个领域。碳化硅的熔点高、热膨胀系数低、耐侵蚀以及抗热震性好，在冶金、化工、电子以及建材等领域得到广泛应用。特别是使用上述两种原料制备的复合材料具有更优良的抗热震性能、抗渣侵蚀性能以及高温强度和韧性。然而，由于氧化锆和碳化硅粉体，特别是氧化锆微粉的价格十分昂贵，使氧化锆-碳化硅复合粉体制品的价格升高，提高了制品的生产成本。

发明内容：

本发明以含ZrO₂、SiO₂的矿物或工业固体废弃物以及含碳材料为原料，通过调整原料配比、加热温度、保温时间、气体流量以及La₂O₃添加量等参数，利用碳热还原反应在高温气氛炉内廉价地合成氧化锆-碳化硅复合粉体。其优点在于制备工艺简单，所用原料价格便宜，合成的复合粉体性能好。

附图说明：

下面结合附图以使用锆英石和天然石墨原料为例对本发明作进一步说明：

图1为Zr-Si-C-O体系的平衡状态图。图1中(a)为碳热还原二氧化硅生成碳化硅的反应，即，SiO₂(s)+3C(s)＝SiC(s)+2CO(g)，该反应为主反应；(b)为氧化锆和天然石墨的反应，即，ZrO₂(s)+3C(s)＝ZrC(s)+2CO(g)，该反应为副反应。

由于ZrSiO₄或ZrO₂，SiO₂和C在热力学上不能共存，在加热过程中可能发生以下反应：

ZrSiO₄(s)＝ZrO₂(s)+SiO₂(s)                  (1)

SiO₂(s)+C(s)＝SiO(g)+CO(g)                  (2)

SiO(g)+C(s)＝Si(g)+CO(g)                    (3)

Si(g)+C(s)＝SiC(s)                          (4)

SiO₂(s)+3C(s)＝SiC(s)+2CO(g)                (5)

ZrO₂(s)+3C(s)＝ZrC(s)+2CO(g)                (6)

ZrSiO₄(s)+3C(s)＝ZrO₂(s)+SiC(s)+2CO(g)      (7)

ZrSiO₄(s)+6C(s)＝ZrC(s)+SiC(s)+4CO(g)        (8)

由式(1)～(8)可知，该Zr-Si-C-O体系中的反应过程复杂，如果控制不好加热温度、炉内气氛以及碳加入量等，原料中的ZrO₂有可能被还原成ZrC。

因此，若要获得氧化锆-碳化硅复合粉体，需要在加热过程中控制炉内CO压力、选择合适的加热温度以及调整其他工艺参数等。

具体实施方式：

实施例1：

表1为原料组成(质量分数)和加热温度对合成氧化锆-碳化硅复合粉体相组成的影响。表1中ZS表示ZrSiO₄相，Z表示ZrO₂相，S表示SiO₂相，SC表示SiC相，ZC表示ZrC相，C表示碳相。

表1

实施例2：

表2为固定原料组成(ZrSiO₄/C＝100/20)时La₂O₃添加量和加热温度对合成氧化锆-碳化硅复合粉体相组成的影响。表2中ZS表示ZrSiO₄相，Z表示ZrO₂相，S表示SiO₂相，SC表示SiC相，ZC表示ZrC相，C表示碳相。

表2

由表1和表2可知，通过控制原料配比，加热温度以及添加物的加入量等因素，可以很容易地获得氧化锆-碳化硅复合粉体。