[發(fā)明專利]氮化硅納米材料的低溫固相反應制備

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810014017.7
• 申請日: 2008-01-21
• 公開（公告）號: CN101294303A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發(fā)明（設計）人: 錢逸泰;郭春麗;李鳳俠;徐立強;馬小健
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B29/30
• 分類號: C30B29/30;C30B29/62;C30B1/10
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司
• 代理人: 許德山

技術領域

本發(fā)明屬于氮化硅納米材料制備技術領域，尤其涉及一種在高壓釜中利用固相反應低溫合成氮化硅納米材料的方法。

背景技術

氮化硅具有顯著的高熔點、高硬度、強韌性、高熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的耐磨和抗腐蝕能力等性質，因而成為極好的工程材料，具有廣泛的應用前景。

荷蘭《材料科學》(JOURNAL?OF?MATERIALS?SCIENCE?33(24)：5803-5810DEC?1998)報道拉長的β-Si₃N₄顆粒有抑制陶瓷易碎的性質，是一種性能優(yōu)良的陶瓷材料的補強增韌劑。美國《應用物理快報》(APPLIED?PHYSICS?LETTERS?71(16)：2271-2273OTC?1997)報道了用碳納米管為模板在1400℃將硅粉、SiO₂在氮氣中生長出氮化硅納米棒。美國《國際材料快報》(ACTA?MATERIALIA?53(10)：2981-29902005)報道了1600℃下，通過SiO₂的碳熱還原氮化法得到β-Si₃N₄納米棒。但這些制備反應都需要很高的反應溫度，而且高溫下獲得產品的尺寸較大，一般都在μm以上。美國《國際材料快報》(SCRIPTAMATERIALIA?54(3)：447-4512006)報道了利用SiCl₄和NaN₃在100-150℃合成出氮化硅納米枝晶。然而該方法重復很困難，反應壓力較大，使之難以應用于工業(yè)化生產。選用廉價環(huán)保的硅粉原料在較低溫度下大量制備氮化硅納米棒及納米晶等納米材料，對提升氮化硅陶瓷的性能以及擴大其生產應用都具有十分重要的意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明提出了一種在高壓釜中，60-170℃的溫度條件下，固相反應制備氮化硅納米棒的方法，產率約為40％-50％。

具體步驟如下：將硅粉、粉末狀氨基硫脲、疊氮化鈉和碘按摩爾比0.386-0.926∶0.476-0.953∶1∶0.171-0.256混合均勻，密封在高壓釜中，于60±5℃反應12±0.5小時；產物經酸洗、水洗至pH中性，離心分離和干燥，然后將所得產品經氫氟酸與硝酸混和液洗滌除去單質硅，即獲得α，β-Si₃N₄納米棒及納米晶。所得的氮化硅納米棒的直徑較為均勻，分布在60-150納米之間，長度在300-1050納米之間。產率約為40％。疊氮化鈉全部分解為氮氣，高壓釜中的最大壓力基于95atm。

上述利用固相反應低溫制備氮化硅納米棒的方法優(yōu)選的實施方式是：將硅粉、粉末狀氨基硫脲、疊氮化鈉和碘按摩爾比0.5-0.7∶0.8-0.9∶1∶0.2-0.22混合均勻，密封在高壓釜中，于60℃反應12小時；產物經酸洗、水洗至pH中性，離心分離和干燥，然后將所得產品經氫氟酸與硝酸混和液洗滌除去單質硅，即獲得α，β-Si₃N₄納米棒及納米晶。

若在上述反應的基礎上，將單質碘換成鋁粉，反應的初始溫度會升高，但是這一技術也很重要。獲得的氮化硅納米材料不僅質量好，產率也提高到50％，而且得到的是純相的β相氮化硅納米棒。具體步驟如下：

將硅粉、粉末狀氨基硫脲、疊氮化鈉和鋁粉按摩爾比0.386-0.926∶0.716-1.193∶1∶0.804混合均勻，密封在高壓釜中，于170±5℃反應10±0.5小時；產物經酸洗、水洗至pH中性，離心分離和干燥，然后將所得產品經氫氟酸與硝酸混和液洗滌除去單質硅，即獲得以β-Si₃N₄為主的氮化硅納米棒。所得的氮化硅納米棒的直徑較為均勻，分布在100-150納米之間，長度在400-1400納米之間。

上述利用固相反應低溫制備氮化硅納米棒的方法優(yōu)選的實施方式是：將硅粉、粉末狀氨基硫脲、疊氮化鈉和鋁粉按摩爾比0.5-0.7∶0.8-1.0∶1∶0.804混合均勻，密封在高壓釜中，于170℃反應10小時；產物經酸洗、水洗至pH中性，離心分離和干燥，然后將所得產品經氫氟酸與硝酸混和液洗滌除去單質硅，即獲得以β-Si₃N₄為主的氮化硅納米棒。

如果不加入碘或鋁粉，同樣也可在170℃的條件下得到結晶性很好的氮化硅納米材料，具體步驟如下表示：