[發(fā)明專利]硅粉在中溫微正壓條件下氮化合成氮化硅粉體的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110296695.9
• 申請(qǐng)日: 2011-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN102503434A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李江濤;楊建輝;楊增朝;韓林森;王福;陳義祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): C04B35/584
• 分類號(hào): C04B35/584;C04B35/626
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非氧化物氮化硅(Si₃N₄)陶瓷粉體的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及硅粉氮化制備氮化硅粉體的方法，特別涉及在中溫微正壓條件下，以溫度場(chǎng)誘發(fā)硅粉燃燒方式合成氮化硅粉體的方法。

背景技術(shù)

氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震、抗蠕變、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)良的綜合性能，并且在高溫下仍能保持其優(yōu)良性能，因而在高溫燃?xì)廨啓C(jī)、宇航、核工業(yè)、高效率發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等高技術(shù)領(lǐng)域得到了重視和應(yīng)用。但相對(duì)于金屬基材料，氮化硅陶瓷的高成本制約了其規(guī)模化應(yīng)用。因此，從制粉-成型-燒結(jié)-加工四個(gè)環(huán)節(jié)上來(lái)研究開發(fā)新的低成本制備技術(shù)是國(guó)際范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

目前，合成Si₃N₄粉體的方法主要有硅粉高溫氮化法、碳熱還原法、硅亞胺分解法和高壓燃燒合成法等。采用硅粉高溫氮化法制備Si₃N₄粉體，產(chǎn)物粒度細(xì)、物相可控，但是溫度要求高(大于1350℃)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)(高達(dá)72小時(shí))，因此生產(chǎn)能耗大。以燃燒合成技術(shù)制備Si₃N₄粉體，能耗低、生產(chǎn)周期短，產(chǎn)物氮化率高，但是硅粉高壓燃燒合成反應(yīng)要求氮?dú)鈮毫Ω撸虼藢?duì)設(shè)備耐壓要求高、投資大，同時(shí)產(chǎn)量有限。采用溫度場(chǎng)誘發(fā)硅粉氮化燃燒制備Si₃N₄粉體，一方面結(jié)合了硅粉高溫氮化法和高壓燃燒合成法制備Si₃N₄粉體的優(yōu)點(diǎn)；另一方面避開了兩種方法的工藝缺點(diǎn)，既降低了硅粉氮化的溫度，又降低了為維持燃燒合成所必需的氮?dú)鈮毫Γ瑥亩档土嗽O(shè)備成本，縮短了生產(chǎn)周期并大幅度節(jié)省了能耗。因此，開發(fā)中溫微正壓條件下硅粉反應(yīng)合成Si₃N₄粉體具有極大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)硅粉高溫氮化法和硅粉高壓燃燒合成法存在的缺陷，提供一種結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，并回避其缺點(diǎn)的中溫微正壓條件下，實(shí)現(xiàn)氮化合成Si₃N₄粉體的方法。

本發(fā)明的方法是以硅粉和含氮化合物為原料，按不同的組分配比配制成反應(yīng)混合料，經(jīng)短時(shí)間研磨混合后，將混合料裝于料舟內(nèi)，并放入密閉的可加熱耐壓的反應(yīng)爐中，經(jīng)抽真空后充入一定壓力的含氮非氧化性氣體。通電預(yù)熱混合料，溫度升至500～900℃，通過(guò)局部加熱或預(yù)埋點(diǎn)火塊自燃方式，引發(fā)燃燒合成反應(yīng)，合成后的氮化硅產(chǎn)物隨爐冷卻，經(jīng)初碎后得到所述的氮化硅粉體。

本發(fā)明的硅粉在中溫微正壓條件下氮化合成氮化硅粉體的方法包括以下步驟：

(1)按硅粉∶β-Si₃N₄粉體的質(zhì)量比為50～95∶5～50稱取原料硅粉與β-Si₃N₄粉體，將稱取的原料置于高能機(jī)械活化設(shè)備中進(jìn)行研磨活化處理(一般研磨活化處理的時(shí)間為30～90分鐘)，使原料混合均勻得到混合料；其中所述的β-Si₃N₄粉體為晶種；

(2)將步驟(1)經(jīng)機(jī)械活化處理后得到的混合料松裝于料舟中，然后將料舟放入密閉的可加熱耐壓的反應(yīng)爐內(nèi)，對(duì)反應(yīng)爐抽真空(一般抽真空10分鐘左右)，充入含氮非氧化性氣體，使反應(yīng)爐內(nèi)的壓力達(dá)到10～500kPa；

(3)給加熱裝置通電，用加熱裝置加熱步驟(2)的反應(yīng)爐至溫度為500～900℃，保溫(一般保溫10～30分鐘)；誘發(fā)所述混合料發(fā)生自維持的燃燒合成氮化反應(yīng)，反應(yīng)30～60分鐘后，關(guān)閉加熱裝置，使反應(yīng)所得氮化硅產(chǎn)物隨爐降至室溫；取出料舟，將反應(yīng)所得氮化硅產(chǎn)物置于高能機(jī)械活化設(shè)備中進(jìn)行研磨處理(一般研磨處理的時(shí)間為10～30分鐘)，得到所述的氮化硅粉體(Si₃N₄粉體)產(chǎn)品。

步驟(1)中所述的高能機(jī)械活化設(shè)備為振動(dòng)研磨機(jī)或高速球磨機(jī)。

所述的含氮非氧化性氣體選自氮?dú)馀c氨氣、氬氣或氫氣的混合氣體(其中氮?dú)庠诨旌蠚怏w中的含量不小于混合氣體總體積的30％)、氮?dú)狻睔庵械囊环N。

所述的誘發(fā)是采用給預(yù)埋于混合料中的線圈通電發(fā)熱的方式或采用預(yù)埋于混合料中的燃點(diǎn)低于500℃的點(diǎn)火塊自燃的方式。