编号：FTJS107446
篇名： 利用灵武地区煤泥碳热还原法制备定向多孔Al2O3-SiC复相陶瓷工艺研究
作者： 梁利东;白建光;高金平;黄传卿;黄瑞;韩茂武;刘雷;王银平;牛改玲;霍高普;何天颖;张锦富;童晨光
关键词： 复相陶瓷; 碳热还原法; 煤泥; 多孔; 定向
机构：中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队
摘要： 2019年8月25日中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队提交了宁夏回族自治区重点研发计划项目(2020批次)(对外合作专项)“利用灵武地区煤泥碳热还原法制备定向多孔Al2O3-SiC复相陶瓷工艺研究”项目申请书,通过专家审核最终于2020年3月确定立项,并于2020年6月签订了项目合同书,本项目获批后,申请单位中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队及合作单位陕西科技大学立即组织人力和财力进行深入科研研究,选派宁夏总队不同科研团队赶赴灵武地区枣泉煤矿、宝丰煤矿、红柳煤矿、羊场湾煤矿和梅花井煤矿,就这些典型代表性煤矿煤泥资源分布特征进行深入调查取样,获得一线关键数据,与此同时与合作单位陕西科技大学合作调查国内外及宁东地区煤泥利用现状,就煤泥在Al2O3-SiC复相陶瓷制备工艺前期工作进行深入交流,随后利用陕西科技大学主要合作人员实验室设备及陕西科技大学科研设备测试平台进行深入科研。 对灵武地区煤泥资源分析结果发现宁东地区煤泥主要化学成分以SiO2和Al2O3为主,矿物相则以粘土质矿物和石英砂为主,有机质主要以芳香环、脂肪族为主,有机质中含氮官能团主要存在形式为吡啶(约398.5eV)和吡咯(约400.4eV),脂肪碳结构主要包含甲基、亚甲基、次甲基、甲氧基和脂肪环等,并且以桥键和脂肪侧链等形式存在;硫元素存在形态较为复杂,可表现为噻吩、亚砜、砜、烷基硫化物以及硫酸盐等多种形态。 有机质反应机理研究发现煤泥中碳和粘土类矿物质成分具有较小尺寸混合方式,有机质高温裂解生成的多孔碳1000℃左右时开始与煤泥中石英砂发生反应生成β-SiC相;添加50%石英砂后主要发生添加成分和多孔碳之间反应,伴随有微量SiC纤维相生成。通过对比研究煤泥中有机质高温裂解多孔碳与煤泥中粘土质矿物和添加石英砂之间碳热还原过程对比分析,发现有机质高温裂解多孔碳与煤泥中粘土质矿物和添加石英砂之间碳热还原过程有较大区别,添加石英砂有助于晶须生成。煤泥中少量长石相和含钙矿物相也相继发生反应促进SiC晶相生成,微量重金属元素分别起到提高材料性能、促进反应烧结等作用。 SiC纤维生成机理研究发现温度的升高有助于SiC晶须的生成,较高温度促使不同生长模式SiC晶须转变为珠串状结构、颗粒链状连接结构或板砖层片堆积结构;温度越高晶须产量越高,由晶须转变为珠串状结构和层片堆积结构越多。纤维生成主要是在早期进行,时间的进一步延长促使了早期形成的珠串状结构和层片堆积结构进一步演变为颗粒链状连接结构或板砖层片堆积结构。无论是鳞片螺旋状和层片堆积状SiC晶须,生成包括以下步骤：有机质高温裂解生成大量尺寸较小多孔碳,大量烷烃类或烯烃类小分子气体逸出→添加的石英砂与多孔碳之间开始在1200℃以上发生反应,伴随着SiO和CO气体生成→SiO进一步与多孔碳或CO反应生成SiC晶须,同时也伴随有CO和CO2气体产生。多孔碳基体表面的缺陷为异相形核提供了位置,大量SiO气相沉积在多孔碳表面,在还原性金属催化作用下,SiC晶须开始形核和长大。晶须晶面内产生了密度较高且能量较低的层错,有助于维持较低的晶须生长能,源源不断的SiO生成和远程传输进一步促进晶须的长大,形成了螺旋状生长机制。层片堆积生长模式SiC晶相碳原子和硅原子层面垂直晶须轴向堆积,随着温度升高或保温时间进一步延长,这种准周期性孪晶结构逐渐演变成层片堆积结构,最终演变成尺寸较大的片状堆积结构。 性能优化研究发现石英砂加入后与有机质高温裂解多孔碳之间存在反应,较高反应温度促使了加入的石英砂大部分参与了碳热还原反应。然而较低成型压力导致颗粒松散堆积促使部分石英砂并未参与反应,同时反应过程形成的大量气相导致颗粒之间距离进一步增加也是阻碍碳热还原反应的一个主要原因,也是强度整体性偏低主要原因。保温时间进一步延长,反应体系中气态中间产物SiO的扩散速率较高,物质扩散可以在短时间内完成,随保温时间的延长体系内部碳热还原反应产生的气态中间产物SiO促使α-SiC晶粒进一步长大,保温时间的延长也促进了颗粒之间互相吞并形成大尺寸晶粒,随着保温时间延长,强度呈现先增加后降低趋势。 总体来说项目达到了预期的效果,任务书中的验收考核指标全部完成。形成的1份调查报告,1份煤泥制备定向多孔陶瓷技术方案,申请专利2