[發明專利]迭代法燃燒合成β－Si3N4纖維的制備技術

無效

• 申請號: 200710063015.2
• 申請日: 2007-01-24
• 公開（公告）號: CN101229973A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發明（設計）人: 金海波;陳克新;李江濤;曹茂盛
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C04B35/584
• 分類號: C04B35/584;C04B35/80;C04B35/65
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明涉及利用迭代法燃燒合成β-Si₃N₄纖維的制備技術，屬于無機非金屬材料科學領域，可應用于化工、機械、航空航天、冶金、電子等材料制備領域。

背景技術

氮化硅陶瓷是非氧化物結構陶瓷材料的典型代表，長期以來，國際材料界一直致力于開發其力學性能方面的應用。高性能氮化硅陶瓷材料具有高硬度、高強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優異的綜合性能。在化工、機械、航空航天、冶金、電子等領域獲得了廣泛的應用。但氮化硅陶瓷材料的脆性一直是其致命的弱點，在陶瓷材料內部一旦產生裂紋，便很容易擴展，從而導致斷裂。為了提高氮化硅陶瓷材料的韌性，國內外研究者普遍采用的材料增韌技術為顆粒彌散增韌、纖維或晶須補強增韌。對任何一種Si₃N₄材料，室溫強度和斷裂韌性首先取決于β-Si₃N₄的長徑比，其次才是顆粒尺寸。高長徑比能使性能改善的理由是：互相連接的長顆粒較好的抵抗裂縫的擴展，因為這時裂縫要發生分支、偏轉，才能產生顆粒拔出，這些都使裂縫擴展所需的能量有所提高。β-Si₃N₄纖維具有高強度、高模量、耐高溫和良好的化學穩定性，是一種理想的陶瓷材料纖維補強增韌劑。

目前β-Si₃N₄纖維的制備方法主要是采用某種硅源，在氮氣或氨氣氣氛下，高溫(1200～1700℃)長時間保溫氮化反應的方法。普遍存在設備復雜、生產周期長、制備工藝復雜、成本高的缺點。例如以非晶硅和硅二亞胺為原料，在氮氣氣氛中，1200～1700℃，反應時間均在16小時以上，才能獲得β-Si₃N₄纖維。

燃燒合成技術具有設備及工藝簡單、節約能源、合成產物純度高、生產周期短等諸多優點，其主要特點是：利用外部提供必要的能量，誘發高放熱化學反應體系發生局部化學反應(該過程稱為點燃)，形成化學反應前沿(即燃燒波)，此后化學反應在其自身放出熱量的維持下，繼續前行，表現為燃燒波蔓延至整個反應體系，最終獲得合成材料。迄今利用該技術已成功制備出AlN、Si₃N₄、TiN、TiC、SiC等500多種陶瓷材料。

迭代法燃燒合成技術是指利用具有一定特征的燃燒合成產物作為迭代晶種，按一定配方和工藝，根據不同的產品性能要求，進行數次循環迭代燃燒合成制備，最終獲得所需性能的燃燒合成產物。采用迭代法燃燒合成技術制備β-Si₃N₄纖維至今未見報道。

發明內容

本發明的目的在于利用迭代法燃燒合成技術制備出性能優異的β-Si₃N₄纖維。

本發明的主要內容為：

迭代法燃燒合成β-Si₃N₄纖維的制備技術，包括配料、混合、高溫燃燒合成反應、迭代燃燒合成。

本發明是以燃燒合成產物為迭代晶種，加入一定量的纖維生長助劑，進行一定次數的迭代燃燒合成，制備出性能可控的β-Si₃N₄纖維。

其主要制備工藝為：

1)以氮化硅迭代晶種和硅粉為反應起始原料，兩者按照一定比例均勻混合；

2)纖維生長助劑采用銨鹽中的一種或兩種以上混合使用；

3)將含有纖維生長助劑的反應物料充分混合后，冷壓成型為具有一定相對密度的反應物生坯；

4)將裝有反應物料的石墨坩堝置于高壓容器中，在一定的氮氣壓下，通電點火，實現高溫燃燒合成，反應后的產物在氮氣保護下隨爐冷卻；

5)將上述合成的β-Si₃N₄纖維作為迭代晶種，按1)至4)步驟循環迭代燃燒合成，即可獲得晶體結構完整、表面光滑，β相含量達到98％以上的β-Si₃N₄纖維。

原料中氮化硅迭代晶種和金屬硅粉混合比例分別為：氮化硅晶種占30～60wt％，硅粉占40～70wt％。

纖維生長助劑為銨鹽中的一種或兩種以上混合使用，加入量為硅粉和Si₃N₄混合后總重量的0.5～10wt％。

原料混合均勻后，冷壓成型相對密度為30～50％。

燃燒合成反應的氮氣壓力為3～15MPa。