一种微波混合加热合成Al4SiC4粉体的新方法技术领域
本发明具体涉及一种高温陶瓷Al4SiC4粉体材料的合成方法。
背景技术
三元碳化物碳硅化铝是一种新型共价键的化合物，Al4SiC4陶瓷具有熔点高、硬度
高、强度大、导电导热性好、低膨胀系数、抗氧化和抗侵蚀能力强等特点，因此在耐火材料行
业具有很好的开发前景。
1961年，Barzak等人[Xiaomei Xi, Xiaofeng Yang.Spontaneous infiltration
of aluninum-silicon alloy into silicon carbide performs in air[J]. J. Am.
Ceram. Soc., 1996, 79(1): 102-108.]采用 4∶1 摩尔比的铝和硅的混合粉末，蒸馏提纯
后首次得到了Al4SiC4。随后Inou等人[Akira Yamaguchi,Shaowei Zhang.Synthsis and
some properties of Al4SiC4[J]. J. Am.Ceram. Soc., 1995, 103(1): 20-24.]采用 X
射线单晶衍射和 X 射线粉末衍射的方法获取了Al4SiC4晶体学数据：空间群被标定为
P63mc，六方晶体结构单元尺寸为 a＝0.32771±0.00001nm，c＝2.16716±0.0002nm。近年
来，Al4SiC4陶瓷因其较低的密度（3.03g/cm3）、较高的熔点(＞2037℃)、在高温下具有稳定
的理化性能和优良的机械性能等特性而逐渐受到人们的关注。然而由于制作上的困难，一
直以来Al4SiC4的合成及性能的报道非常有限。
至今为止，Al4SiC4在国内外有两种相应的制备方法：一种是固-固合成，另一种是
固-液合成。固-固合成，具体方法有高温自蔓延法、热压烧结法、等离子喷涂法、固相反应烧
结法等；固-液合成，主要包括电弧焊法、渗透法等等。这些方法的共同缺点是合成温度高，
反应时间长，浪费能源，成本高。2009年，周军、王刚、李红霞等人在专利（CN 101619554 A）
中提供了一种Al4SiC4粉体材料的制备方法，其原料按重量百分比球磨混合16-30h;冷压成
30%-60%相对密实度的预制块;在100-200℃温度下保温烘干6-8h;预制块置于碳毡制的容
器内层,外层填入辅助燃烧剂,抽真空后,通入氮气,自蔓延高温合成所需粉体。该工艺方法
耗费时间长，合成的材料致密度低。
温广武等人通过热压烧结方式[G. W. Wen, X. X. Huang.Increased high
temperature strength and oxidation resistance of Al4SiC4 ceramics[J]. J. Eur.
Ceram. Soc, 2006, 26: 1281-1286.]，采用天然石墨、金属铝粉和聚碳化硅烷（PCS）为原
料，制成 Φ55 mm×5 mm 的试样，然后在氩气环境下将原料分解为高活性的 Al、SiC、C，通
过热压烧结方式进行反应，生成Al4SiC4材料。该工艺方法生产率低、成本高。
2013年，杜文献、周莉萍等人在专利（CN 103304237 A）中提供了一种Al4SiC4粉体
材料的制备方法，该方法以煤矸石、金属铝粉和碳粉为原料，利用等离子喷涂法直接喷涂制
备 Al4SiC4材料。该工艺方法缺点是噪音大、粉尘多，对人体有害。
K.Itatani 等人固相反应烧结法[ K. Itatani, F. Takahashi, M. Aizawa, et
al. Densification and microstructural developments during the sintering of
aluminium silicon carbide[J]. J. Mater. Sci., 2002, 37: 335-342.]以 4 : 1 : 4
的比例混合Al 粉、Si 粉和活性碳粉，研磨成粉末后在氩气气氛下加热到 1600 ℃，恒定
10 小时后，即可得到Al4SiC4粉末。该工艺生产效率低。
2012年，阮国智、张智慧等人在专利（CN 102730690 A）中提供了一种Al4SiC4材料
的制备方法，所采用的技术方案是：按重量百分含量将45～65％的Al粉、20～35％的SiC粉、
15～30％碳粉在球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，成型，然后将试样埋在
装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1500～1700℃加热
并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材
料。该工艺制备不便，纯度较低。
A. Urena 等人电弧焊法[A.Urena, P.Rodrigo, L.Gil. Interfacial
reactions in an Al-Cu-Mg(2009)/SiCw composite during liquid processing[J]. J.
Mater. Sci., 2001, 36: 429-439.]在利用 SiC 晶须进行试验时，偶然发现利用电弧焊
产生的高能在接触面上出现了针状的 β-Al4SiC4。该工艺方法电弧流动速度高，反应物在高
温区停留时间短，存在寿命的问题，合成产物纯度低。
Xiaofeng Yang 等人渗透法[Xiaomei Xi, Xiaofeng Yang. Spontaneous
infiltration of aluninum-silicon alloy into silicon carbide performs in air
[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1996, 79(1): 102-108.]将 Al-Si 合金溶液加热到 1200
℃，然后浸入 Si-C 预制件，再迅速加热到 1500 ℃~1600 ℃，并进行十分钟渗透，就可得
到5 mm厚的Al4SiC4，但含有少量的 Al、α-SiC 及 SiC 相。该工艺合成材料含有少量杂质
相，纯度低。
若要将Al4SiC4陶瓷应用至工程领域，需要大量、高纯、低成本的Al4SiC4陶瓷耐火
材料。本发明采用微波混合加热的方法在很短的时间便制备出纯度很高的Al4SiC4陶瓷粉体
材料，大大降低了生产成本。
与普通的微波合成技术相比，微波混合加热技术有不少优点：首先是适用范围广，
既可以加热微波吸收性能很差以及容易挥发的反应物，也能制备容易氧化的样品；其次是
设备简单，除了真空气氛微波烧结炉以外，只需要氧化铝坩埚等普通材料；另外，该技术节
能省时，加热时间一般只需几分钟，最长也不过几十分钟。因此，为了节约能源、降低生产成
本，有必要探索一种低成本、工艺简单的Al4SiC4粉体材料的制备方法，以便更好地满足
Al4SiC4陶瓷耐火材料适应高要求钢铁冶炼的需要。
发明内容
本发明目的是提供一种Al4SiC4粉体材料的合成方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现，采用微波混合加热技术。
主要包过以下步骤：
①原料及样品制备：
2.将石墨粉、铝粉、硅粉按照一定比例称量并混匀，然后压片。
3.将压片放入小坩埚中，用脱模介质包裹，然后将小坩埚放入装有加热介质的大
坩埚中。
4.将组装好的样品放入真空气氛微波烧结炉内，在惰性气氛的保护下通过微波混
合加热合成单相的Al4SiC4粉体材料。
②评价：用XRD对样品进行表征。
③优点：
4.本发明设备简单，工艺容易控制，能耗较低。
5.所制备的样品中Al4SiC4相含量较高，接近单相。
6.制备时间短，与传统制备方法相比，效率提高了数十倍。
④说明：
3.用适当压力压制样品片，微波加热时间较短。
4.惰性气体为不与样品反应的气体。
5.所述的加热介质为能够吸收微波的材料。
附图说明：
图1是本发明提供的实施例后得到的样品的XRD图谱。
具体实施方式：
实施例1：
以铝粉、硅粉、石墨粉为原料。按照= (4.1:1:4)或(4:1.2:4)或(4:1:3.8)的摩尔比称
重，将混合后的粉末置于研钵中研磨10-30分钟后，将粉末压制成柱体状后，把压块放于自
制的反应器中，盖上氧化铝的坩埚盖子，将完全组装好待烧结的样品放入到微波烧结炉后，
关闭炉门，抽取真空至-0.1后，关掉真空泵。通入氩气流量16-160L/h直至达到正常压力，调
小通入氩气流量后，启动微波烧结，烧结时间一定,烧结温度1200℃，保温时间10min。同样
方式取相同坩埚，配料、组装方式及烧结条件同上，保温时间不变，但烧结温度定为1300℃，
待样品冷却后取出，用金相砂纸表面打磨，最后研碎从而得到Al4SiC4粉体。
实施例2：
以铝粉、硅粉、石墨粉为原料。按照=(4.1:1:4)或(4:1.2:4)或(4:1:3.8)的摩尔比称
重，将混合后的粉末置于研钵中研磨10-30分钟后，将粉末压制成柱体状后，把压块放于自
制的反应器中，盖上氧化铝的坩埚盖子，将完全组装好待烧结的样品放入到微波炉后，关闭
炉门，抽取真空至-0.1后，关掉真空泵。通入氩气流量16-160L/h直至达到正常压力，调小通
入氩气流量后，启动微波烧结，烧结温度1200℃，保温10min。同样方式取相同坩埚，配料、组
装方式及烧结条件同上，烧结温度不变，但保温时间为15min。待样品冷却后取出，用金相砂
纸表面打磨，最后研碎从而得到Al4SiC4粉体。
实施例3：
以铝粉、硅粉、石墨粉为原料。按照= 4.05:1:4 的摩尔比称重，将混合后的粉末置于研
钵中研磨10-30分钟，后将粉末压制成柱体状材料。把压块放于自制的反应器中，盖上氧化
铝的坩埚盖子，将完全组装好待烧结的样品放入到微波烧结炉后，关闭炉门，抽取真空至-
0.1后，关掉真空泵。通入氩气流量16-160L/h直至达到正常压力，调小通入氩气流量后，启
动微波烧结，烧结时间一定。烧结温度定为1200℃，保温时间10min,每次实验时，烧结温度、
保温时间相同，但不断调整原料配比。待样品冷却后取出，用金相砂纸表面打磨，最后研碎
从而得到Al4SiC4粉体。