[發明專利]一種碳熱還原氮化法合成長柱狀α-Sialon細晶粒及制備方法

在審

• 申請號: 201711195837.6
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN107986767A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 黃軍同;侯小龍;張夢;李喜寶;胡智輝;馮志軍
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: C04B35/14
• 分類號: C04B35/14;C04B35/622
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所36111
• 代理人: 劉凌峰

技術領域

本發明涉及一種碳熱還原氮化法合成長柱狀α-Sialon細晶粒及制備方法，屬于陶瓷粉體技術領域。

背景技術

α-Sialon，被認為是α-Si₃N₄中有m個(Si-N鍵被m個Al-N)鍵取代，n個(Si-N)鍵被n個(Al-O)鍵取代，由此導致的電價不平衡通過金屬M補償。因此α-Sialon中的正負離子之比不等于3:4，其通式為M_xSi_12-(m+n)Al_m+nO_nN_16-n，式中x<2。目前已報道可進入α-Sialon結構的金屬是Li，Ca，Mg，Y和稀土元素Re（Re=Nd，Sm，Gd，Dy，Er和Yb）等。α-Sialon陶瓷具有硬度高、耐腐蝕性好、抗熱震性優良和能夠降低晶界等特點，然而，由于通常形成的是等軸晶粒形貌導致較低的斷裂韌性而限制了其廣泛應用。要制備得到高性能的陶瓷，需要合成優質的晶粒粉體。如何制備得到長柱狀的α-Sialon晶粒，是獲得高斷裂韌性α-Sialon陶瓷的關鍵。

到目前為止，相關學者通過控制成核和晶粒生長過程逐步獲得了長柱狀的α-Sialon晶粒，主要方法集中在高溫固相反應法和燃燒合成，然而這兩種方法需要昂貴的高純度Si₃N₄、Si、AlN、和稀土氧化物為原料，制備得到的α-Sialon陶瓷價格相對昂貴。碳熱還原氮化法作為一種能夠利用廉價原料直接合成Sialon的方法，在利用石英、鋁礬土、粘土、沸石、滑石等方面也合成得到了α-Sialon，但是由于主要集中在單一的陽離子穩定的α-Sialon，從而獲得等軸短柱晶粒。據報道，在固相法制備α-Sialon過程中，采用（Li，Y）多元陽離子系統摻雜的α-Sialon能夠獲得一些纖維柱狀晶粒，多元陽離子具有比單一陽離子更為復雜的控制成核的作用。另外，T. Li?Ko等報道，再以石英為原料、碳為還原劑通過氮化反應形成Si₃N₄的研究中發現，添加一些Si₃N₄晶種有益于提高Si₃N₄氮化率以及減小Si₃N₄產物的晶粒尺寸。

因此，如何采用原料和工藝的選擇來利用石英、氧化鋁等為主要原料通過碳熱還原氮化法合成得到長柱狀α-Sialon晶粒對于制備高性能低成本的α-Sialon陶瓷具有重要的意義。

發明內容

針對上述背景技術中合成α-Sialon存在的問題，本發明的目的在于提供一種原料價格低廉、工藝簡單的碳熱還原氮化法合成長柱狀α-Sialon細晶粒的方法。該方法以廉價石英、氧化鋁、氮化鋁等為主要原料，Re₂O₃為其中一種陽離子原料，另一種陽離子原料為CaF₂、MgF₂、YF₃、CaO、MgO或Y₂O₃中的一種，活性炭或炭黑為還原劑，以燃燒合成制備的α-Sialon細粉為晶種，在氮氣氣氛下于1650℃-1750℃采用碳熱還原氮化制備得到高純度的長柱狀α-Sialon細晶粒。

為了實現上述技術任務，本發明采用以下技術方案：

一種碳熱還原氮化法合成長柱狀的α-Sialon細晶粒及制備方法，使用的原料，其特征在于：石英，SiO₂含量≥98%，粒徑≤300μm，其含量占總配料的40~60wt.%；氧化鋁，Al₂O₃含量≥98%，粒徑≤74μm，其含量占總配料的0~10wt.%；氮化鋁，氧含量≤2%，粒徑≤74μm，其含量占總配料的2~10 wt.%；稀土氧化物Re₂O₃微粉，含量≥99.5％，粒徑≤74μm，其含量占總配料的2~15wt.%；添加劑CaF₂、MgF₂、YF₃、CaO、MgO、Y₂O₃等微粉，均為分析純，粒徑≤30μm，其含量占總配料的0.1~10wt.%；晶種α-Sialon細粉，粒徑≤10μm，其含量占總配料的0.1~10wt.%；為碳黑，≤100nm，其含量占總配料的18~28wt.%；高純氮氣，純度＞99.99%。