[發明專利]β-Si3N4單晶的制備方法

無效

• 申請號: 200910071454.7
• 申請日: 2009-02-27
• 公開（公告）號: CN101514494A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發明（設計）人: 葉楓;劉利盟;張海礁
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C30B29/38
• 分類號: C30B29/38
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 金永煥

技術領域

本發明涉及Si₃N₄單晶的制備方法。

背景技術

β-Si₃N₄單晶的抗拉強度達30～50GPa，能夠耐1400℃以上高溫，其晶體結構決定了β-Si₃N₄單晶可生長成為高長徑比的棒狀晶，作為陶瓷、金屬及塑料基復合材料的增強相，其強韌化效果可與SiC晶須相比。

名稱為“自蔓燃合成法制備高β相氮化硅棒狀晶須的方法(中國專利申請號：200710114558.2，申請日：2007年12月28日，公開日：2008年10月08日)”和名稱為“自蔓延高溫合成制備β-氮化硅晶須的方法(中國專利號：ZL01126400.4，申請日：2001年08月03日，公開日：2002年02月06日)”的專利中利用Si在N₂中高溫燃燒，快速地合成晶型完整、表面光滑的β-Si₃N₄單晶，但是產物中通常混有難以分離的α-Si₃N₄和未及反應的Si雜質，而且β-Si₃N₄單晶的大小不易控制，為了促進Si原料的氮化、提高β-Si₃N₄產率而使用的NH₄F、NH₄Cl等添加劑會造成設備的腐蝕，且排出的尾氣對環境有害。[上海交通大學學報35?2001?p397]報道過以α-Si₃N₄及MO·Al₂O₃·2SiO₂為原料合成致密的復合材料，存在著致密材料的制備過程中，晶粒會相互碰撞，導致β-Si₃N₄晶粒生長中長徑比變小，且單個晶粒的完整度被破壞。

發明內容

本發明目的是為了解決現有技術中制備β-Si₃N₄單晶的方法存在產物中混有雜質、β-Si₃N₄單晶的大小不易控制、使用添加劑造成設備腐蝕、排出的尾氣對環境有害和致密材料的制備過程中晶粒會相互碰撞的問題，而提供β-Si₃N₄單晶的制備方法。

β-Si₃N₄單晶的制備方法按以下步驟進行：一、按重量比20～99∶1～80稱取α-Si₃N₄粉末和添加劑，混合后加入重量百分比濃度為0.5％～5％的聚乙烯醇水溶液，球磨混合1～24h，得泥漿；二、將泥漿倒入敞口石墨容器中，然后在20～90℃的條件下烘干，得坯體；三、將盛有坯體的石墨容器置于高溫爐中，然后在溫度為1400～2200℃、壓強為0.1～10MPa的氮氣氣氛中保溫燒結0.1～10h，得塊體；四、將塊體破碎，放入400℃熔融的NaOH中1～30min，收集沉淀物，然后用水清洗3～5次，即得β-Si₃N₄單晶；其中步驟一中添加劑的體系結構式為：MO·mAl₂O₃·nSiO₂，M為Mg、Ca、Sr、Ba中的一種或幾種，m＝0～2，n＝0～4；步驟一中聚乙烯醇水溶液的加入量為混合物總體積的30％～95％。

本發明中利用添加劑在1200℃以上溫度熔化，α-Si₃N₄向液相中溶解，達到過飽和后析出β-Si₃N₄單晶，制備的β-Si₃N₄單晶是直徑和長度可控的棒晶，所制備的β-Si₃N₄單晶經XRD和掃描電鏡檢測純度高、晶型完整；本發明制備β-Si₃N₄單晶過程中坯體不是致密的，而為多孔結構，所以β-Si₃N₄單晶之間不會擠壓和碰撞，是自由生長的，β-Si₃N₄單晶長徑比增大，且晶粒的完整度好；本發明中通過控制合成工藝參數，能夠實現對β-Si₃N₄單晶直徑及長度的控制；本發明中所使用添加劑不會造成設備腐蝕，無尾氣產生。

附圖說明