本發(fā)明屬于礦產(chǎn)綜合利用制備高性能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及燃燒合成制β-SIALON基復(fù)合粉體的方法。

背景技術(shù)：

SIALON是上個世紀(jì)七十年代發(fā)現(xiàn)的一種固溶體，是由硅(Si)、鋁(Al)、氧(O)、氮(N)組成的化合物。SIALON結(jié)構(gòu)以六方晶體的Si₃N₄作為其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，A1與O原子共同作用形成化學(xué)鍵，取代Si₃N₄晶體結(jié)構(gòu)中的Si-N鍵，最終形成SIALON。SIALON具有極好的抗熱震性、抗氧化性、抗侵蝕性和抗高溫蠕變性，是一種優(yōu)良的耐火材料，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與需求，β-SIALON突出的材料性能滿足了其在高溫工業(yè)、建材、汽車、航天、冶金、石化等領(lǐng)域的應(yīng)用，例如制成模具、耐火材料、引擎、軸承、切削工具、噴嘴等材料。因此，SIALON材料的制備方法得到了世界范圍的普遍研究與探索。

目前合成SIALON材料的方法主要有如下三種：

直接合成法以純物質(zhì)Si₃N₄、Al₂O₃、AlN和SiO₂為原料，以N₂作為保護(hù)氣氛，經(jīng)高溫化合反應(yīng)合成SIALON。當(dāng)Si-Al-O-N體系中加入一定量的金屬氧化物時，可以得到不同物相組成的α-SIALON、β-SIALON以及多相復(fù)合SIALON。采用直接合成法制取SIALON材料如發(fā)明專利“一種原位合成鎂阿隆/β-賽隆復(fù)相陶瓷材料的方法”（專利號CN200910076060.0），主要以純化學(xué)原料硅、鋁為還原劑還原氮化合成鎂阿隆/β-賽隆復(fù)相陶瓷材料，具有能夠合成單相鎂阿隆材料或β-賽隆材料的優(yōu)點，但這種方法制備成本較高、能耗大，對設(shè)備要求高，不適于大規(guī)模生產(chǎn)。

碳熱還原氮化法以碳為還原劑，在原料中加入氧化鋁和硅、鋁原料等，在1350℃到1650℃常壓流動氮氣下燒結(jié)，制備SIALON材料，稱為碳熱還原氮化法。如發(fā)明專利 “一種利用粉煤灰制備β-SiAlON 復(fù)相材料的方法”（ 專利號CN201410102599.X）利用粉煤灰以碳熱還原氮化制備β-SIALON復(fù)相材料，在氮氣氣氛下1450～1550℃燒結(jié)4～6小時制取β-SIALON 復(fù)相材料。此種方法的優(yōu)點是使用了廉價低廉的粉煤灰為原料，也制取出了β-SiAlON 復(fù)相材料，但該方法使用的碳熱還原氮化法需要持續(xù)的熱源加熱以補充體系的能量，其能耗相對較高。再如專利號CN201210164383.7的名稱“一種亞微米棒狀β-Sialon 的合成方法”，該發(fā)明以炭黑、硅溶膠、氫氧化鋁、氯化銨為原料，添加催化劑Fe₂O₃制成前驅(qū)體，把前驅(qū)體在一定氮氣流中碳熱還原氮化制備β-Sialon 粉體。反應(yīng)溫度在1350~1500℃，保溫時間2~6 小時此種方法的優(yōu)點是使用純化學(xué)物質(zhì)以碳熱還原氮化合成的β-Sialon 粉體較為純凈，但合成過程較為復(fù)雜，且需要持續(xù)熱源供應(yīng)，反應(yīng)過程中還可能會產(chǎn)生溫度梯度。

燃燒合成（Combustion Synthesis）是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱制備材料的新技術(shù)。其特點為利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱，完全（或部分）不需要外熱源，通過快速自動燃燒波傳播的自維持反應(yīng)得到所需成分和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。

燃燒合成工藝通過反應(yīng)物之間自身的放熱確保反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，整個過程幾乎不需要外界提供任何能源，并且在幾十秒內(nèi)完成反應(yīng)，因而是一種倍受關(guān)注的合成粉料的方法。采用此工藝已經(jīng)合成出了一些SIALON粉體，如中國冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院韓歡慶等人發(fā)明的“一種陶瓷粉的制備方法( CN1055279C)”是在硅粉中添加鋁粉和氧化硅或氧化鋁或添加氮化鋁和氧化鋁，采用自蔓延高溫合成技術(shù)合成β-SIALON粉體，但該專利中未涉及到利用礦山固廢物煤矸石等作為反應(yīng)主要原料制取SIALON粉體。

本發(fā)明以礦山固體廢棄物煤矸石為原料，采用燃燒合成工藝獲得SIALON基復(fù)相粉體材料。本發(fā)明不僅能夠克服傳統(tǒng)的碳熱還原合成法的浪費能源缺點，而且利用礦山廢棄物煤矸石燃燒合成SIALON粉體材料，不僅降低其成本，也能夠為煤矸石的高效利用開辟新的技術(shù)路線。本發(fā)明具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、設(shè)備簡單、成本低廉、易于操作等特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種煤矸石燃燒合成β-SIALON基復(fù)合粉體的方法，具體技術(shù)方案如下：

一種煤矸石燃燒合成β-SIALON基復(fù)合粉體的方法，所述方法是按煤矸石粉：鋁粉：β-Si₃N₄粉的質(zhì)量比為55～85：0～25：0～45稱取原料，并將原料置于研磨設(shè)備上進(jìn)行研磨混合處理1～2小時，再將研磨混合物料盛裝于石墨料舟內(nèi)放入燃燒合成反應(yīng)釜中，對反應(yīng)釜抽真空后充入氮氣，氮氣壓力控制在5～10MPa內(nèi)，采用局部電熱點火方式點燃引燃劑，引發(fā)反應(yīng)物料的燃燒合成反應(yīng)；反應(yīng)完畢后將產(chǎn)物研磨處理，得到六方晶狀或柱狀形貌的β-SIALON基復(fù)合粉體。

進(jìn)一步的技術(shù)方案如下：

所述煤矸石粉的平均粒徑為1～100μm。

所述鋁粉的純度大于95%，平均粒徑為1～100μm。

所述β-Si₃N₄粉末的純度大于80%，平均粒徑為0.5～100μm。

所述氮氣純度大于99.9%。

所述研磨設(shè)備是行星式球磨機(jī)、臥式轉(zhuǎn)子研磨機(jī)和振動研磨機(jī)中的一種。

本發(fā)明通過在高壓氮氣中實施燃燒合成，利用煤矸石粉與添加劑的氮化體系反應(yīng)釋放出大量熱能，實現(xiàn)了燃燒合成體系的穩(wěn)定持續(xù)蔓延燃燒反應(yīng)，并且通過優(yōu)化工藝參數(shù)，合理調(diào)控燃燒反應(yīng)特征，生成的產(chǎn)物為發(fā)育較好的六方晶狀或柱狀形貌的β-SIALON基復(fù)合粉體。

與已有技術(shù)相比，本方法使用礦山的固體廢棄物煤矸石作為主要原材料，與以往采用化學(xué)試劑為原料相比成本低廉，同時能夠在很大程度上解決礦山煤矸石的環(huán)境污染問題。

本方法合成的β-SIALON基復(fù)合粉體中主相物質(zhì)β-SIALON超過85%。

本方法工藝簡單，生產(chǎn)周期短，依靠反應(yīng)自身放熱實現(xiàn)合成過程，大量節(jié)省能源，降低成本。

本方法整個合成過程從反應(yīng)布料到獲得合成產(chǎn)物，制取時間小于3分鐘，且整個合成過程無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)從原料到產(chǎn)物的高效利用，適合規(guī)模化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例l中制備的β-SIALON基復(fù)合粉體的X射線衍射譜圖。

圖2是本發(fā)明實施例1中制備的β-SIALON基復(fù)合粉體的掃描電鏡顯微照片。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的的具體實施方式作出進(jìn)一步的說明。

實施例1

平均粒徑3μm的煤矸石粉、平均粒徑5μm的鋁粉（純度高于95%）、平均粒徑5μm的氮化硅粉（純度高于80%），按質(zhì)量比60：23：17稱取原料并混合，然后放入內(nèi)襯SiC耐磨層的不銹鋼球磨罐中用振動球磨機(jī)研磨混合1小時進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理之后的混合物料均勻盛裝于半圓柱狀石墨料舟內(nèi)，松裝密度為0.6g/cm³。在石墨料舟內(nèi)，將適量鈦粉作為引燃劑，真空泵抽真空后，充入高純氮氣至5 MPa。局部點火誘發(fā)燃燒合成。反應(yīng)結(jié)束可以得到粉末狀或松散的塊狀產(chǎn)物。X射線衍射和SEM掃描電子顯微鏡分析結(jié)果表明該粉體為六方晶狀或柱狀形貌的均質(zhì)β-SIALON基復(fù)合粉體。

實施例2

平均粒徑8μm的煤矸石粉、平均粒徑5μm的鋁粉（純度高于95%），按質(zhì)量比76：24稱取原料并混合，然后放入內(nèi)襯SiC耐磨層的不銹鋼球磨罐中用振動球磨機(jī)研磨混合0.5小時進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理之后的混合物料均勻盛裝于圓柱狀石墨料舟內(nèi)，松裝密度約為0.8g/cm³。在石墨料舟內(nèi)將適量鈦粉作為引燃劑。真空泵抽真空后，真空泵閥關(guān)閉，充入氮氣至7 MPa。局部點火誘發(fā)燃燒合成。反應(yīng)結(jié)束可以得到粉末狀或松散的塊狀產(chǎn)物，經(jīng)磨細(xì)分級等后處理工藝后得到六方晶狀或柱狀形貌的均質(zhì)β-SIALON基復(fù)合粉體。

實施例3

平均粒徑10μm的煤矸石粉、平均粒徑5μm的氮化硅粉（純度高于80%），按質(zhì)量比55：45稱取原料并混合，然后放入內(nèi)襯SiC耐磨層的不銹鋼球磨罐中用振動球磨機(jī)研磨混合2小時進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理之后的混合物料均勻盛裝于圓柱狀石墨料舟內(nèi)，松裝密度約為1g/cm³。在石墨料舟內(nèi)將適量鈦粉作為引燃劑真空泵抽真空后，充入高純氮氣至10 MPa。局部點火誘發(fā)燃燒合成。反應(yīng)結(jié)束可以得到粉末狀或松散的塊狀產(chǎn)物，經(jīng)磨細(xì)分級等后處理工藝后得到六方晶狀或柱狀形貌的均質(zhì)β-SIALON基復(fù)合粉體。

本發(fā)明實施例l中制備的β-SIALON基復(fù)合粉體的X射線衍射譜圖、SEM掃描電鏡顯微照片見附圖1和附圖2。

上述實施例中原料煤矸石粉與添加劑鋁粉和氮化硅粉的配比方案，僅是本發(fā)明的較佳實施，并非對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的任何限制，在煤矸石粉：鋁粉：β-Si₃N₄粉的質(zhì)量比為55～85：0～25：0～45范圍內(nèi)其它比例均可達(dá)到類似產(chǎn)物效果。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實施方案對以上實施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。