[發(fā)明專利]以聚四氟乙烯為添加劑燃燒合成氮化硅粉體的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710063114.0
• 申請(qǐng)日: 2007-01-26
• 公開（公告）號(hào): CN101229916A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李江濤;陳義祥;林志明;楊樹亮;杜吉?jiǎng)?/a>;王建力
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所;遼寧佳益五金礦產(chǎn)有限公司
• 主分類號(hào): C01B21/068
• 分類號(hào): C01B21/068;C04B35/584
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 李柏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非氧化物超細(xì)氮化硅粉體的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及燃燒合成(也稱自蔓延高溫合成)氮化硅粉體的方法，特別涉及在無氮化硅稀釋劑時(shí)利用聚四氟乙烯(PTFE)作添加劑燃燒合成氮化硅(Si₃N₄)粉體的方法。

背景技術(shù)

氮化硅陶瓷作為一種重要的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有低密度、低比重、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、高彈性模量、抗氧化、抗熱震性和電絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，其在軸承、軋輥、切削工具、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并具有很大的發(fā)展?jié)摿Α５璺勰┳鳛樯a(chǎn)氮化硅陶瓷制品的原始材料，其商業(yè)需求量呈逐年增加的趨勢(shì)。

國(guó)際上已研究開發(fā)的氮化硅粉體的制備方法有很多，具有代表性的有硅粉直接氮化法、碳熱還原法、硅亞胺分解法、等離子法和燃燒合成法。國(guó)際上一些大型生產(chǎn)廠家如德國(guó)的Stark、日本的Denka等普遍采用直接氮化法來制備氮化硅粉體。其工藝過程是：將硅粉置于氮?dú)?或氮?dú)?氫氣)流動(dòng)氣氛中，經(jīng)過不同時(shí)間段的長(zhǎng)時(shí)間保溫，完全氮化后經(jīng)研磨等處理即可獲得氮化硅粉體。該方法生產(chǎn)周期較長(zhǎng)(高達(dá)72小時(shí))，需要二次氮化，因此能耗大，還必須嚴(yán)格控制好各種工藝參數(shù)。碳熱還原法工藝也存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、過程復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，另外產(chǎn)物中碳、氧等雜質(zhì)含量較高。日本UBE公司生產(chǎn)的商品化程度較好的氮化硅粉體采用的是硅亞胺分解法。該法除了存在工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)過程中的腐蝕問題等的缺點(diǎn)外，產(chǎn)物中的氯含量還較高。近年來，國(guó)內(nèi)一些單位開發(fā)了等離子法來制備納米氮化硅。其工藝過程為：往等離子體發(fā)生器中通入等離子體工作氣體(如N₂-Ar-H₂等)，然后利用等離子體電弧加熱工作氣體，最后注入含氮原料(如NH₃、N₂等)和含硅原料(如SiCl₄)進(jìn)行化學(xué)氣相反應(yīng)來制備氮化硅納米粉體。等離子法制備的氮化硅大多是無定型的氮化硅粉體，并且含有氯化銨雜質(zhì)，產(chǎn)物需要經(jīng)過500℃以上脫除氯化銨雜質(zhì)以及高溫下處理才能獲得高α相氮化硅粉體。等離子法也存在設(shè)備復(fù)雜、成本高、能耗大等缺點(diǎn)，另外在產(chǎn)品價(jià)格和產(chǎn)量規(guī)模上也不具備形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的可能性。

燃燒合成技術(shù)(Combustion?synthesis，縮寫CS)也稱自蔓延高溫合成(Self-propagating?high?temperature?synthesis，簡(jiǎn)稱SHS)，是一種有效的合成氮化物、碳化物等新型特種陶瓷粉末材料的新技術(shù)。其基本過程特點(diǎn)是：高放熱的化學(xué)反應(yīng)體系在利用外部能量誘發(fā)后發(fā)生局部化學(xué)放熱反應(yīng)(此過程稱為點(diǎn)燃)，形成燃燒反應(yīng)前沿(即燃燒波)，此后反應(yīng)在自身放出的熱量的維持下，反應(yīng)不斷地自發(fā)向前進(jìn)行(稱為自蔓延)，在燃燒波蔓延的過程中，反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣刹牧稀?duì)于燃燒合成氮化硅技術(shù)來說，其特點(diǎn)表現(xiàn)在反應(yīng)迅速、能耗低、自凈化、粉體的燒結(jié)活性高、設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單、投資小、設(shè)備通用性強(qiáng)等方面。

自20世紀(jì)80年代始，國(guó)內(nèi)外材料研究者對(duì)采用燃燒合成技術(shù)制備氮化硅粉體表現(xiàn)出了高度的關(guān)注，已經(jīng)有大量的專利和研究論文報(bào)道。這些報(bào)道各有側(cè)重點(diǎn)。

自俄羅斯科學(xué)家Merzhanov等將其發(fā)明的SHS技術(shù)用于制備氮化硅粉體后，其申請(qǐng)了名為“具有高α相含量氮化硅的制備方法”(美國(guó)專利號(hào)US5032370)的專利，該燃燒合成反應(yīng)需要的氣體壓力過高(最高達(dá)30MPa)，反應(yīng)原料中添加的銨鹽量過大(最高達(dá)所加硅粉含量的60wt％)；另外，在該工藝的原料中不僅Si粉需要經(jīng)過氫氟酸等特殊方法進(jìn)行預(yù)處理，而且還使用了不同含量的無定形Si或硅亞胺，這就使得原料的成本增加。美國(guó)Holt?J.Birch等發(fā)明的“燃燒合成細(xì)晶α相氮化硅”(美國(guó)專利號(hào)US4944930)，采用大量的NaN₃(約占反應(yīng)物的50wt％)等為氮源。由于NaN₃屬于高毒易爆品，不僅會(huì)引進(jìn)雜質(zhì)，同時(shí)也不適合安全生產(chǎn)。