[發明專利]一種氮化硅粉體及其制備方法

有效

• 申請號: 201310489972.7
• 申請日: 2013-10-18
• 公開（公告）號: CN103496679A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 張海軍;古亞軍;張少偉;李發亮;魯禮林
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: C01B21/068
• 分類號: C01B21/068;C04B35/584;C04B35/626
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于氮化物粉體技術領域。具體涉及一種氮化硅粉體及其制備方法。

背景技術

氮化硅陶瓷具有優良的化學穩定性、高的強度和硬度，廣泛應用于機械、化工、電子和軍工等行業。目前氮化硅的制備方法主要有：硅粉直接氮化法、碳熱還原二氧化硅法、自蔓延法、熱分解法、高溫氣相反應法、激光氣相反應法和等離子體氣相反應法等。

硅粉直接氮化法為常用工業生產氮化硅的方法。該方法的優點是工藝簡單，成本相對較低。但也存在以下的問題，如：需要在1400℃以上長時間保溫，燒成溫度較高，氮化周期長，能源浪費嚴重；并且氮化產物形貌很難控制，不能獲得晶須狀氮化硅。

碳熱還原二氧化硅法使用SiO₂和C作為原料，成本低廉，能適應連續化生產。但SiO₂難以被完全還原氮化，且反應中會生成SiC等雜質，反應需在1400-1550℃的高溫下進行。?

自蔓延法制備氮化硅粉末具有節能和省時的特點，生產的氮化硅粉末也具有較高的純度。但該方法對設備的要求較高，因此也導致了較高的生產成本，難以用來大規模工業生產氮化硅。

熱分解法需在1400~1600℃條件下熱分解固態亞胺基硅（Si(NH₂)）和胺基硅（Si(NH₂)₄），進而制得α-Si₃N₄粉末，是一種高產率的制備高純度Si₃N₄方法。熱分解法制得的氮化硅粉末純度高、粒徑小、燒結性能好，但成本高且需要復雜的設備和反應制度，限制了該工藝的工業應用。

高溫氣相反應法、激光氣相反應法和等離子體氣相反應法雖能在短時間內制得高純氮化硅粉末，但成本高且存在腐蝕問題，不易于工業生產。

總之，目前的氮化硅粉體制備技術都存在一定的不足：成本高，反應溫度高，氮化周期長，純度低，工藝過程復雜，不易控制，粉體不呈晶須狀等，極大地限制了氮化硅粉體的應用和產業化生產。

發明內容

本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提供一種反應溫度低、成本低、氮化周期短、工藝過程簡單、易于控制和產率高的氮化硅粉體的制備方法。用該方法制備的氮化硅粉體純度高、粉體粒徑小和部分為晶須狀。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案的制備步驟是：

步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質量比為1︰(50~80)混合，攪拌20~30min，再超聲分散20~30min，制得懸浮液。

步驟二、以Si與Co的質量比為1︰(0.005~0.05)向所述懸浮液中加入0.88mol/L水溶性鈷鹽，制得混合液。

步驟三、將所述混合液置于氮氣氣氛中，在冰水浴條件下向所述混合液中加入還原劑，還原劑與Co的摩爾比為(2~5)︰1，攪拌0.5~1h；再將還原后的混合液抽濾，真空干燥10~12h，制得混合粉體。

步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內，在氮氣氣氛下以2~8℃/min的升溫速率升至1200~1350℃，保溫2~8h，即得氮化硅粉體。

所述硅粉中的Si含量≥95wt%，粒徑≤88μm。

所述水溶性鈷鹽為氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷中的一種，氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷的純度均為分析純。

所述還原劑為硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼中的一種，硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼純度為分析純或為工業純。

由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有如下積極效果和突出特點：

1、本發明采用鈷納米顆粒作為催化劑，催化硅粉氮化。硅粉在1200~1350℃下完全氮化。故本發明產率高、合成溫度低和氮化周期短；

2、本發明利用納米顆粒控制晶須生長，所得氮化硅顆粒粒徑小，晶須的直徑為80~100nm，長徑比為(150~200)︰1；合成的晶須為氮化硅；

3、本發明在反應過程僅引入微量的納米催化劑，無其他雜質，產品純度高；

4、本發明的原料來源廣泛和價格低廉，生產成本低，具有很大的產業化生產前景。

因此，本發明具有氮化合成溫度低、成本低、氮化周期短、合成工藝簡單、易于控制和產率高的特點；所制備的氮化硅粉體粒徑小、部分為晶須狀和純度高，產業化生產的前景大。

附圖說明

圖1為本發明制備的一種氮化硅粉體的XRD圖譜；

圖2為圖1所示氮化硅粉體的SEM圖；

圖3是圖2箭頭所指位置的EDS圖。

具體實施方式