SiAlON的合成方法及耐火材料应用
发布日期： 2020-03-13 12:54:59 阅读量（349） 作者：刘梓明尽管SiAlON具有优良的性能，其在工业化上的推广还有较多的限制，性价比有待提高。大量研究者通过不断地探索，以降低SiAlON合成的难度和成本，以及提高SiA10ON合0成的可控制性。人们发现天然矿物原料或者工业废弃物替代可高纯原料来制备SiAlON材料。近年的研究表明，海水砂砾、高岭石、稻壳等天然原料可用于制备SiAlON，煤矸石、粉煤灰等工业废弃物也可用于制备SiAlON材料。
早期SiAlON合成主要以固相反应合成法为主，该方法对于温度、设备等工艺条件的要求较高，限制了其在工业化上的推广，性价比有待提高。随着技术的发展，SiAlON的合成发展出了碳热还原氮化法、金属还原氮化合成法、自蔓延燃烧合成法、微波合成等方法。关于SiAON的合成主要集中在β-SiAlON和α-SiAlON上。
1)固相反应合成法
固相反应法是指以Al2O3、AlN、Si3N4、SiO2离子键或者共价键化合物作为原料合成SiAlON的方法。
在关于SiAlON的早期研究中，人们采用Al2O3、AIN、Si3N4、SiO2化合物探索Si-Al-O-N化合物、稳定相图以及SiAlON的合成条件和工艺。Jack在2000℃烧结Al2O3和Si3N4获得了SiAlON相并得到了XRD衍射峰。1976年，Jack在早期实验基础上，通过在1550-2000℃热压烧结Al2O3、AIN、Si3N4、SiO2和Si2N2O，绘制了1750℃下Al2O3-AlN-Si3N4-SiO2四元系的相图。Lewis采用Si3N4、AlN和SiO2作为原料，添加1%的MgO作为烧结助剂，通过热压烧结合成了单相的SiAlON陶瓷。Trigg采用Y2O3、SiO2、Si3N4和Al2O3，在1700-1800℃进行氮化烧结，在烧结过程中形成Y-Si-Al-O-N液相，通过溶解-沉淀过程获得(T-SiAlON。Mitomo采用Si3N4、Al2O3、AIN作为原料，在1800℃氮化烧结，制备β-SiAlON材料，三点弯曲强度在常温为490MN/m2，在1200℃高温时为480MN/m2。
固溶反应法制备SiAlON往往需要1700-1800℃甚至更高的温度，并且需要施加10-20MPa的压力，添加稀有金属氧化物作为烧结助剂。因此固溶反应制备SiAlON的难度很大。固溶反应法的优点在于，可以通过设计反应物的配比，很好地控制形成SiAlON的组成。
2)金属还原氮化合成法
采用金属Si、Al粉作为部分原料，在高温氮气气氛下，与Al2O3、Si3N4发生原位反应直接合成SiAlON的方法为金属还原氮化合成法。
Zhang采用Si3N4、AlN和Al作为原料，制备出混合物坯体，发现添加金属Al比不添加的情况，坯体强度高;通过在900℃预处理坯体，可原位形成纳米级的Al2O3，可在无压烧结的条件下在1650-1750℃制备β-SiAlON，降低了合成温度。
Li等人以铝渣(主要物相为Al32wt%、Al2O325wt%、SiO210wt%、CaO4wt%、MgO10wt%、Fe2O35wt%)、Si粉、Si3N4为原料，将原料在1450-1750℃流动氮气中烧结6小时;在烧结过程中，金属Al在600-1100℃反应形成AlN，金属Si在反应过程中形成Si3N4和Si2N2O，通过复杂的化学反应可形成多型体SiAlON和β-SiAlON;并且可通过控制反应参数获得SiAlON晶须增强材料。
金属还原氮化合成法的合成温度相对于固相反应法降低，并且无需施加压力或者添加稀有金属烧结助剂。金属还原氮化合成法适宜用于原位合成SiAlON结合相用于材料的增强，因此常常应用于耐火材料结合相或者增强相的形成。Si和Al金属较为活泼，容易反应，但是反应程度也难以控制，不适合用于制备特定组分的SiAlON。
3)燃烧合成法
燃烧合成法又称为高温自蔓延合成法，是指反应物的反应所释放的热量自我维持反应得到无机化合物，无需外加热源的方法。
SiAlON的燃烧合成一般采用金属Si和金属Al作为原料，以及一些反应物如Si3N4、AIN、NH4F、SiO2、Al2O3、MgO、CaCO3、SrCO3以及稀有金属氧化物，利用金属在氮气中的燃烧维持SiAlON合成所需的能量。如图，当点火后，反应过程非常迅速，仅有十几秒钟。燃烧合成所得到的燃烧产物的组成以及形貌受到工艺参数影响，如稀释剂、添加剂等。目前，关于SiAlON的燃烧合成反应的研究主要集中在以β-SiAlON为产物的燃烧反应合成。
Shahien采用金属Al、Si和SiO2作为原料，在1MPa压力下合成z=2的β-SiAlON，其研究结果表明：添加稀释剂(z=1的β-SiAlON)可将燃烧温度从高于2000℃降低到1859℃;调节稀释剂的含量可以控制β-SiAlON的转化率;通过将燃烧产物作为稀释剂反复燃烧5次，可以制备出纯相的Z值为2的β-SiAlON。Shahien的后续研究表明，以金属Al、Si和SiCb作为原料，在1MPa压力下合成z值为2-4的β-SiAlON，添加50%的稀释剂，可以合成z=2、3、4的β-SiAlON，并将燃烧温度控制在1859℃、1686℃和1640℃。目前，燃烧合成多用于制备SiAlON粉末原料。
SiAlON的应用
SiAlON性能优异，SiAlON复合材料应用于磨具和金属切削工具，热机或者其他热能设备，熔融金属挤压磨具和盛装、输送部件、高性能的透明陶瓷以及人工关节等生物材料中。SiAlON在耐火材料中的应用非常广泛，在钢铁冶金、高级窑具材料领域有广阔的发展应用前景。
SiAlON-Al2O3耐火材料是20世纪由法国Savoie公司研制出的新一代陶瓷杯耐火材料。SiAlON-Al2O3耐火材料具有刚玉耐高温、抗氧化的特性，同时具有SiAlON高强度、优异的抗热震的性能，有望成为我国新一代高炉炉缸内衬材料，也可用作铸钢的钢包滑动水口材料。SiAlON-Al2O3耐火材料己经成为陶瓷杯的首选材料。因此，在耐火材料中原位合成SiAlON材料，对于提高材料的性能和稳定性十分有利。
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