[發明專利]自蔓燃制備低氧含量高α-相氮化硅粉體的方法

無效

• 申請號: 200810249513.0
• 申請日: 2008-12-19
• 公開（公告）號: CN101445223A
• 公開（公告）日: 2009-06-03
• 發明（設計）人: 李金富;燕東明;李國斌;劉國璽;李康;常永威;趙斌;段關文;王擁軍;喬光利
• 申請（專利權）人: 中國兵器工業第五二研究所
• 主分類號: C01B21/068
• 分類號: C01B21/068
• 代理公司: 煙臺信合專利代理有限公司
• 代理人: 遲元香

技術領域：

本發明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種采用自蔓燃制備低氧含量高α-相氮化硅粉體的方法，制備的氮化硅可廣泛的應用于精細陶瓷和高端耐火材料等領域。

背景技術：

由于氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有獨特的物理和機械性能，例如密度低、高強度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、優良的熱穩定性(特別是低的熱膨脹系數)、高熱導性能等，在航空、航天、半導體、電子、化學工業、能源、機械制造、兵器工業等領域有著廣泛的應用前景。

氮化硅是典型的共價鍵化合物，有兩種晶型，β相是針狀結晶體，屬于高溫穩定型，α相顆粒狀結晶體，屬于低溫穩定型，兩者均為六方晶系，α相結構的內部應變比β相大，故自由能比β相高，在1400—1600℃加熱，α—Si₃N₄會轉變成β—Si₃N₄，在氮化硅粉體的燒結過程中一般會發生α→β相的轉變，該相變通過溶解析出機制進行，同時伴隨著密度致密化。氧是氮化硅粉料中存在最多的雜質元素，一部分溶解于氮化硅粉料的顆粒內部，一部分在氮化硅粉料表面以富氧層的形式存在。通常把氮化硅粉料表面的富氧層看作是SiO₂薄膜。在燒結過程中，氮化硅顆粒表面的富氧層與燒結助劑反應形成液相，促進相變和致密化。除了另外添加的氧化物燒結助劑外，氮化硅粉料表面的富氧層也作為燒結助劑參與燒結過程中液相的形成，并影響氮化硅陶瓷中晶界相的組成和數量，從而影響其高溫力學性能。采用低氧含量的α相氮化硅粉體燒結陶瓷正逐步成為國內外科研院所和企業競相開展的課題研究氮化硅粉料的表面富氧層對氮化硅陶瓷晶界相和高溫力學性能的影響也非常重要。

制備α相氮化硅粉體的傳統方法可以分為如下幾種，第一種是工業上廣泛采用的金屬硅粉(Si)直接氮化法，第二種是二氧化硅(SiO₂)碳熱還原法，第三種是化學氣相合成法，第四種是相對較先進的等離子氣相合成法，第五種是自蔓燃高溫合成法。

金屬硅粉直接氮化法是：在氮氣或氨氣的氛圍內，在電爐中加熱金屬硅粉使之發生氮化反應，該方法簡單，是合成α氮化硅粉體的最有效的、并且是相對簡單方法，是工業中普遍應用的方法。但是該方法有其明顯的缺點，硅粉在高溫反應中可能融化，致使反應氣氛擴散困難，其次隨著反應的進行，包覆硅粉的氮化硅層會阻止內部硅粉的進一步氮化，另外，整個反應過程需要兩次氮化，這個反應周期需要數天，該過程中自始至終須嚴格控制反應溫度、氮氣分壓和氣體流量來保證生成α相需要的熱環境，導致了該方法需要較大的能源消耗，合成的粉體粒度分布不均勻，雜質含量較高，無法滿足制備高性能Si₃N₄陶瓷的原料要求。

二氧化硅碳熱還原法是將二氧化硅粉末與碳粉充分混合，在流動的氮氣氣氛下利用碳還原SiO₂，被還原出的Si和SiO與氮氣進一步反應生成Si₃N₄，該法具有設備簡單、原料價格低，生成的氮化硅粉末具有高α相，殘留的C可以經600℃煅燒除去，粉末無需球磨等特點。但是該方法需要加入過量的碳以確保SiO₂的完全反應，中間過程所產生的SiO容易造成原料的損失，同時在SiO₂—C—N₂反應體系在低溫時反應速度慢；而在高溫時，可能導致生成碳化硅，直接影響到氮化硅的產率和純度。