[发明专利]金属氧化物的硅热还原形成低共熔复合材料

说明书

技术领域

本公开整体涉及低共熔合金，更具体地讲涉及包含硅(Si)的低共熔合金组合物。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能并不构成现有技术。

硅低共熔组合物作为结构和耐磨组件而受到了极大的技术关注。这些“可浇铸的陶瓷”材料可具有与某些技术陶瓷相似的机械特性，包括良好的耐磨性、腐蚀行为、韧度和强度。例如，Si-CrSi₂低共熔合金复合材料已得到了研究，并且其机械特性类似于或优于许多技术陶瓷。还已认识到，这些合金可通过熔铸工艺制造(参见例如WO 2011/022058)。

发明内容

本文描述了使用金属氧化物的硅热还原制造硅低共熔合金的方法。此外，根据本公开的教导描述了具有一种或更多种硅化物的硅低共熔合金。

根据本公开的一个方面，提供了通过硅热还原制备低共熔合金组合物的方法。该方法可包括：加热包括硅和包含一种或更多种金属元素M与氧的金属氧化物的混合物，从混合物形成低共熔合金熔体，以及从低共熔合金熔体移除热。该方法还包括形成低共熔合金组合物，其包括硅、所述一种或更多种金属元素M、以及包含硅的第一相与作为硅化物相的第二相的低共熔聚集体。例如，第二相可具有式MSi₂并且第二相可以为二硅化物相。

根据本公开的另一方面，提供了硅低共熔合金组合物。该硅低共熔合金组合物可包括主体，所述主体包括具有硅的低共熔合金、一种或更多种金属元素M、以及包含硅的第一相与作为硅化物相的第二相的低共熔聚集体。该主体还可以包括包含金属氧化物的第三相，其中该金属氧化物包含所述一种或更多种金属M。

该硅低共熔合金组合物可有利地用于许多行业，诸如以举例的方式，化工、石油与天然气、半导体、机动车、航空航天、机器零件和太阳能行业等等，在这些行业中需要表现出良好的断裂韧度和耐磨性的组件。

通过本文提供的说明，其他适用领域将变得显而易见。应当理解，说明和具体实例旨在仅用于示例目的，而非旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文所述附图仅用于示例目的，而非旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是得自ASM Alloy Phase Diagrams Center,P.Villars,editor-in-chief,H.Okamoto and K.Cenzual,section editors,ASM International,Materials Park,OH,USA,2006-2011(ASM合金相图中心，总编P Villars，章节编辑H.Okamoto和K.Cenzual，美国国际金属学会，美国俄亥俄州材料公园，2006-2011年)的Cr-Si相图；

图2是垂直于通过定向凝固制备的低共熔合金样品表面而对齐的杆状加强相结构的光学显微图；

图3A-3B是在反应后(A)Si-Cr₂O₃反应产物(在反应前使用紧密混合物和分层起始材料)和(B)Si-V₂O₅反应产物的粉末X射线衍射图，表明只存在所需的硅和MSi₂反应产物，其中所有X射线衍射图还表明存在约1-2％的来自相关熔融二氧化硅反应容器的SiO₂产物；以及

图4A-4F是(A-B)实例1、(C-D)实例2和(E-F)实例3的扫描电镜图，分别显示了具有一些Si初生晶粒的Si-CrSi₂体系的低共熔微结构，与由金属Cr制备的样品的低共熔结构相似的更均匀的微结构，和Si-VSi₂低共熔微结构。

具体实施方式

以下说明实质上仅为示例性的，并且决不旨在限制本公开或其应用或用途。应当理解，在整个说明中，相应的参考编号指示相同或相应的部件或特征。

本公开整体涉及使用硅和金属氧化物制备硅低共熔合金组合物的方法。给出以下具体实施例以阐述根据本公开的教导的硅低共熔合金组合物的设计和使用，它们不应被视为限制本公开的范围。本领域的技术人员根据本发明应当理解，可以在不脱离或超出本发明的实质和范围的情况下，在本文所公开的具体实施例中做出许多改变且仍获得相同或类似的结果。本领域的技术人员还将理解的是，在本文记录的任何性质表示以常规方式测得的性质并可通过多种不同的方法获得。本文所述的方法表示一种这样的方法，并且可在不超出本发明的范围的情况下使用其他方法。