一種簡單控制相變製備β‑氮化矽晶須的方法與流程

2023-12-06 18:43:31 2

本發明涉及氮化矽陶瓷領域，具體公開了一種β-氮化矽晶須的製備方法。

背景技術：

氮化矽是一種重要的結構陶瓷材料。它是一種超硬物質，本身具有潤滑性，並且耐磨損，高溫時抗氧化。而且它還能抵抗冷熱衝擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。由於氮化矽陶瓷具有如此優異的特性，人們常常利用它來製造軸承、氣輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件。如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化矽陶瓷來製造發動機部件的受熱面，不僅可以提高柴油機質量，節省燃料，而且能夠提高熱效率。

氮化矽晶粒有α型和β型，β-氮化矽材料具有高強度、高彈性模量、低熱膨脹率，以及優良的耐熱性、電絕緣性、化學穩定性等特性。β型比α型在高溫條件下硬度更大、穩定性更高。用作高溫陶瓷複合材料和特殊金屬複合材料，亦可作絕熱材料使用。而且β-氮化矽晶須可以用來增韌氮化矽陶瓷材料，提高其機械性能，擴大陶瓷材料的應用領域。

本發明提供一種燒結過程中控制相變速率的方法製備β-氮化矽晶須，該過程中可以通過調節燒結溫度、保溫時間以及氮氣壓力的方式，來達到燒結高溫過程中控制相變(α→β)的目的。但是通過控制氮氣負壓的方法來實現控制α相到β相的相變，到目前為止，尚未見文獻報導，因為不恰當的氮氣壓力往往會導致氮化矽分解，使β-氮化矽晶須難以製備成功。

技術實現要素：

本發明提供了一種在高溫階段控制氮化矽的相變速率製備β-氮化矽晶須的方法，該方法操作簡單，製備的β-氮化矽晶須產量高、純度高的。

本發明採用的技術方案為：一種控制相變製備β-氮化矽晶須的方法，利用α相氮化矽在高溫下能發生相變，轉變為β相氮化矽的原理，通過控制高溫階段氮氣壓力來影響這一相變過程，以製備出β-氮化矽晶須。

以普通的氮化矽粉體溫原料，以為re2o3為燒結助劑，經混料—球磨—乾燥後得混合粉體：其中re為稀土元素，re＝la,ce,pr,nd,pm,sm,eu,gd,tb,dy,ho,er,tm,yb,lu等；將混合粉體放入坩堝中，在氮氣氣氛保護下，升溫燒結製備β-氮化矽晶須。

所述原始氮化矽粉體的質量分數為90％-99％，加入re2o3的質量分數為0-10％，得混合粉體。

所述原始氮化矽純度為99.9％以上，粒徑約為200nm；re2o3的純度大於99％，粒徑大於100nm。

所述燒結助劑re2o3按質量分數比進行配料，放入無水乙醇溶劑中，經機械攪拌10-30min後，加入氮化矽原始粉體中，使燒結助劑在原始粉體種分散。

所述混合粉體以無水乙醇為溶劑，以氮化矽球為介質，在輥式球磨機上混合球磨10-30h,經乾燥、造粒後得混合粉體。

其中，該發明製備β-氮化矽晶須的方式是氣氛燒結，在氮氣氣氛、負壓條件下，升溫燒結粉體。

所述混合粉體置於氮化硼坩堝中，放入氣氛保護燒結爐的爐腔中，以5-15℃/min的升溫速率至1500℃-1800℃，保溫0.5-5h。

升溫燒結過程中保護氣氛為氮氣，純度為99.99％，升溫至1200℃-1800℃溫度區間，氮氣壓力控制在30kpa-100kpa範圍內。

待冷卻至室溫後，取出坩堝，得到β-氮化矽晶須粉體，用氫氟酸水浴60℃-80℃，腐蝕5-20h,即可得高度分散的β-氮化矽晶須。

附圖說明

圖1本發明所用的原始α相氮化矽粉體sem圖

圖2本發明實施例1所製備的β-氮化矽晶須sem圖

圖3本發明實施例2所製備長β-氮化矽晶須sem圖

具體實施方式

本發明通過控制燒結過程中的氮氣壓力對高溫時氮化矽相變的影響來製備β-氮化矽晶須。雖然燒結過程中的溫度、保溫時間都對氮化矽的α～β相變有很大影響，但本發明發現氮氣壓力也能影響氮化矽相變速率，並且發現了生成β-氮化矽晶須所需合適的氮氣壓力，且未見文獻報導。

以普通的氮化矽粉體溫原料，以為re2o3為燒結助劑，經混料—球磨—乾燥後得混合粉體：其中re為稀土元素，re＝la,ce,pr,nd,pm,sm,eu,gd,tb,dy,ho,er,tm,yb,lu等，將混合粉體放入坩堝中，在氮氣氣氛保護下，升溫燒結製備超長β-氮化矽晶須。

氮化矽粉體的質量分數為90％-99％，加入re2o3的質量分數為0-10％，得混合粉體。

氮化矽純度為99.9％以上，粒徑約為200nm；re2o3的純度大於99％，粒徑大於100nm。

燒結助劑re2o3按質量分數比進行配料，放入無水乙醇溶劑中，經機械攪拌10-30min後，加入氮化矽原始粉體中，使燒結助劑在原始粉體種分散。

混合粉體以無水乙醇為溶劑，以氮化矽球為介質，在輥式球磨機上混合球磨10-30h,經乾燥、造粒後得混合粉體。

該發明製備β-氮化矽晶須的方式是氣氛燒結，在氮氣氣氛、負壓條件下，升溫燒結粉體。

混合粉體置於氮化硼坩堝中，放入氣氛保護燒結爐的爐腔中，以5-15℃/min的升溫速率至1500℃-1800℃，保溫0.5-5h。

升溫燒結過程中保護氣氛為氮氣，純度為99.99％，升溫至1200℃-1800℃溫度區間，氮氣壓力控制在30kpa-100kpa範圍內。

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步說明，但絕非限制本發明，本發明也絕非僅限制於下述實施例的內容。

實施例1

按氮化矽質量分數97％，燒結助劑yb2o3質量分數3％，進行配料得混合粉體後，1800℃氣氛燒結，保溫2h，氮氣壓力90kpa，製備β-氮化矽晶須。晶須形貌如圖2所示。

實施例2

按氮化矽質量分數99％，燒結助劑y2o3質量分數1％，進行配料得混合粉體後，1700℃氣氛燒結，保溫1h，氮氣壓力60kpa，製備β-氮化矽晶須。晶須形貌如圖3所示。