一種納米級氮化鎂粉末的製備方法

2023-05-30 19:28:31 1

專利名稱：一種納米級氮化鎂粉末的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種製備氮化鎂粉末的方法，特別涉及一種製備納米級氮化鎂粉末的方法。
背景技術：
氮化鎂(Mg3N2)是由氮和鎂所組成的無機化合物。在室溫下為黃綠色的粉末。密度為2712kg/m3，熔點為800°C，沸點為700°C，屬於立方晶系。
氮化鎂極易與水反應生成氫氧化鎂並放出氨氣，在空氣中即可吸收空氣中的水蒸氣變質，故氮化鎂一般採用真空保存；氮化鎂幾乎與所有的酸都可發生反應；氮化鎂熱穩定性好，在空氣中800°C以上才與氧氣發生反應生成氧化鎂。
氮化鎂應用範圍很廣在製備高硬度、高熱導、耐磨、耐腐蝕、耐高溫的新型材料氮化硼、氮化矽的固相反應中，氮化鎂是不可缺少的燒結助劑。此外，氮化鎂還可用於回收核燃料，製備特殊的陶瓷材料，製造特種玻璃等領域；氮化鎂作為添加劑可以有效的脫礬，從而提高鋼材的密度、強度、拉力及承受力。同時，它還是近幾年被廣泛關注的M-N-H(M是指 I，IV族和一些過渡族金屬)系儲氫系列材料之一。此外，目前普遍認為氮化鎂粉末為直接帶隙半導體材料，帶寬為2. SeV左右，所以在發光二極體和雷射二極體方面，氮化鎂也具有潛在應用價值。而納米氮化鎂粉末因為納米材料比表面積大等特點具有更大的潛在應用價值。
目前氮化鎂的主要製備方法有鎂粉與氮氣直接反應法、鎂在氮等離子體中與氮反應法、氮氣氣氛下鎂線圈爆炸法、自蔓延高溫合成法和低壓化學氣相沉積法。其中鎂粉直接與氮氣反應雖然是具有工業生產價值的方法，但氮化鎂粉末的生產需要較高的反應溫度 (800°C到900°C的高溫)和較長的反應時間，且顆粒的形狀不完整又容易結塊難以達到較為理想的純度，達不到工業質量要求。其他方法因或成本高、或工藝流程長、或設備操作複雜、或氮化鎂的產率比較低等缺點，而限制了其工業化的生產。
近年來，國內外學者在如何製備氮化鎂粉末方面做了大量的研究。2004年，G. Soto 等人採用脈衝雷射澱積的方法，在分子氮的環境中在Si襯底上製備出Mg N不同配比的無定型的氮化鎂薄膜。在國內，中科院大連化物所的張源魁等人利用溫和條件下催化法合成的MgH2熱分解製得的活性鎂粉，可在較低溫度下合成納米尺寸的氮化鎂。山東師範大學的艾玉傑等人用鎂粉與氨氣直接反應法製備了純度較高的氮化鎂粉末，但是氨氣極易溶於水，需要實驗保持良好的乾燥環境，並且氨氣還具有腐蝕性和毒性等危險性質，價格也高於氮氣，這些都不利於大規模生產。發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種氮化鎂粉末的製備方法， 本發明製備工藝簡單，克服了現行製備方法中鎂易被空氣氧化的問題，並製得高純度的氮化鎂粉末，且所得氮化鎂粉末為納米級。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案
一種納米級的氮化鎂粉末的製備方法，包括以下步驟
將納米鎂粉放入陶瓷舟中裝入石英管中，將石英管放入管式爐後先將石英管一端閥門擰緊密封，然後另一端接上真空泵抽真空到-0. IMPa，再通入純度為99. 99%的高純氮氣到Iatm，完成一次「洗氣」過程，洗氣需要進行共五次；洗氣完成後在所述石英管兩端分別接上防漏氣和乾燥系統；然後保持高純氮氣的流通狀態，並保持所述石英管中氣壓為 latm，加熱管式爐到600 900°C，並保溫池使所述納米鎂粉與所述高純氮氣充分反應後， 使管式爐在流動的所述高純氮氣氣氛中冷卻到室溫，所製得的粉末為所述納米級的氮化鎂粉末，取出放在手套箱裡保存。
本發明所述乾燥系統包括一個裝有矽膠的燒瓶，較佳的所述裝有矽膠的燒瓶上帶有氣體減壓閥。
本發明所述防漏氣系統包括一個液封的緩衝瓶，所述緩衝瓶內裝有液體油，較佳的所述防漏氣系統還包括一個防倒吸的燒瓶。
本發明所述氮氣的流動方向依次為所述裝有矽膠的燒瓶、所述石英管、所述防倒吸的燒瓶、所述液封的緩衝瓶。
本發明所述納米鎂粉採用直流電弧等離子體法製備，包括以下具體步驟將純鎂塊作為陽極，鎢棒為陰極，置於直流電弧等離子體設備中，當所述直流電弧等離子體設備抽至真空度為5 X KT2I3a時，充入0. 7atm的氬氣和0. Iatm的氫氣；開啟冷卻水系統後起弧， 所述系統水壓為2Mpa，調節電流為80-120A，繼續通氫氣保持所述設備氣壓為0. 8-latm，反應10-20min，熄滅電弧，冷卻至室溫；將直流電弧等離子體設備抽真空至0. OlMPa，然後充入氬氣0. 6-0. 7atm和空氣0. 3-0. ^tm進行鈍化操作；鈍化後，收集內壁粉末，即為製得的納米鎂粉；
本發明的優點是
1、本發明通過在石英管的兩端分別接上防漏氣和乾燥系統，很好的避免了在反應過程中外界空氣的進入，當石英管中進有空氣時，鎂會優先與空氣中的氧氣反應生成氧化鎂，以至反應所得產物純度很低，甚至完全生成氧化鎂，而本發明很好的避免了這一缺點， 使鎂可完全、充分的與氮氣反應生成高純度的氮化鎂。
2.製得的氮化鎂粉末是納米級的，相較現有的氮化鎂反應活性高。


圖1為在750°C反應製得的氮化鎂粉末的XRD圖譜。
圖2為在750°C反應製得的氮化鎂粉末的TEM圖，圖像由JE0L-2100透射電鏡得到。
圖3為在800°C反應製得的氮化鎂粉末的XRD圖譜。
具體實施方式
實施例1
1.將表面光潔的純鎂塊(長60mm，寬30mm，高IOmm左右)作為陽極，鎢棒為陰極， 置於直流電弧等離子體設備中；當裝置抽至真空度為5X10_2I^時，充入0. 7atm的氬氣和0. Iatm的氫氣；開啟冷卻水系統(水壓2Mpa)後起弧，調節電流到120A，繼續通氫氣保持設備氣壓為0. 8-latm，反應lOmin，熄滅電弧，冷卻至室溫後關閉冷卻水系統；將直流電弧等離子體設備抽真空至0. OlMpa ；然後先充入60KPa氬氣，然後每隔半小時充入5KPa空氣共充入40Kpa空氣，進行粉末的鈍化，，鈍化時間為12小時；收集內壁粉末，即為製得的納米鎂粉；
2.稱取2g上述納米鎂粉，均勻攤在陶瓷舟底部；將裝有納米鎂粉的陶瓷舟放入石英管中，再放入管式爐中，先將石英管一端閥門擰緊密封，然後另一端接上真空泵抽真空到-0. IMPa，再換接上氮氣瓶，通入純度為99. 99%的高純氮氣到latm，完成一次「洗氣」過程，洗氣需要進行共五次；洗氣完成後在石英管兩端分別接上帶有氣體減壓閥的裝有矽膠的燒瓶，以及防倒吸燒瓶和油封的緩衝瓶，防止倒吸和漏氣，保持石英管中氣壓為latm，並保持高純氮氣的流通狀態；
3.設定管式爐加熱程序，具體流程為一個小時加熱到600°C，然後保溫半個小時，再加熱到750°C並保溫2個小時；最後在流動的高純氮氣中自然冷卻到室溫；所製得的粉末為Mg3N2，取出放在手套箱裡保存。
將製得的Mg3N2粉末進行表徵，附圖1的XRD圖譜可以看出Mg3N2的純度很高；附圖2的TEM圖片可以看出製得的Mg3N2粉末的顆粒都在納米數量級。
實施例2
1.將表面光潔的純鎂塊(長60mm，寬30mm，高IOmm左右)作為陽極，鎢棒為陰極， 置於直流電弧等離子體設備中；當裝置抽至真空度為5X 10-2 時，充入0. 7atm的氬氣和 0. Iatm的氫氣；開啟冷卻水系統(水壓2Mpa)後起弧，調節電流到120A，繼續通氫氣並保持設備氣壓為0. 8-latm反應20min，熄滅電弧，冷卻至室溫；將直流電弧等離子體設備抽真空至0. OlMPa，然後充入氬氣0. 7atm和空氣0. 3atm進行鈍化操作；鈍化後，收集內壁粉末，即為製得的納米鎂粉；
2.稱量2g上述納米鎂粉，均勻攤在陶瓷舟底部；將裝有鎂粉的陶瓷舟放入石英管中，再放入管式爐中，先將石英管一端閥門擰緊密封，然後另一端接上真空泵抽真空到-0. IMPa，再換接上氮氣瓶，通入純度為99. 99%的高純氮氣到latm，完成一次「洗氣」過程，洗氣需要進行共五次；洗氣完成後在石英管兩端分別接上帶有氣體減壓閥的裝有矽膠的燒瓶，以及防倒吸燒瓶和油封的緩衝瓶，以防止倒吸和漏氣，保持石英管中氣壓為latm， 並保持高純氮氣的流通狀態；
3.設定管式爐加熱程序，具體流程為一個小時加熱到600°C，然後保溫半個小時，再加熱到800°C並保溫2個小時；最後在流動的高純氮氣中自然冷卻到室溫；所製得的粉末為Mg3N2，取出放在手套箱裡保存。
將製得的Mg3N2粉末進行表徵，附圖3的XRD圖譜可以看到Mg3N2的純度很高。
權利要求
1.一種納米級的氮化鎂粉末的製備方法，包括以下步驟將納米鎂粉放入陶瓷舟中裝入石英管中，然後將石英管放入管式爐後密封，通入純度為99. 99%的高純氮氣洗氣五次，將石英管兩端分別接上防漏氣和乾燥系統，然後通入流動的所述高純氮氣至所述石英管中氣壓為latm，加熱管式爐到600 900°C，並保溫池使所述納米鎂粉與所述高純氮氣充分反應後，使管式爐在流動的所述高純氮氣氣氛中冷卻到室溫，所製得的粉末為所述納米級的氮化鎂粉末。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述乾燥系統包括一個裝有矽膠的燒瓶。
3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於所述裝有矽膠的燒瓶上帶有氣體減壓閥。
4.根據權利要求1 3任意一項所述的製備方法，其特徵在於所述防漏氣系統包括一個液封的緩衝瓶。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於所述緩衝瓶內裝有液體油。
6.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於所述防漏氣系統還包括一個防倒吸的燒瓶。
7.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述洗氣的具體操作步驟為先將石英管一端閥門擰緊密封，然後另一端接上真空泵抽真空到-0. IMPa，再通入純度為99. 99% 的高純氮氣到latm，完成一次「洗氣」過程。
8.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述氮氣的流動方向依次為所述乾燥系統、所述石英管、所述防漏氣系統。
9.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述管式爐加熱方式為先加熱到 600°C並保溫半小時，然後再繼續加熱。
10.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述納米鎂粉的製備方法為將純鎂塊作為陽極，鎢棒為陰極，置於直流電弧等離子體設備中，當所述直流電弧等離子體設備抽至真空度為5 X KT2I3a時，充入0. 7atm的氬氣和0. Iatm的氫氣；開啟冷卻水系統後起弧， 所述系統水壓為2Mpa，調節電流為80-120A，繼續通氫氣保持所述設備氣壓為0. 8-latm，反應10-20min，熄滅電弧，冷卻至室溫；將直流電弧等離子體設備抽真空至0. OlMPa，然後充入氬氣0. 6-0. 7atm和空氣0. 3-0. 4atm進行鈍化操作；鈍化後，收集內壁粉末，即為製得的納米鎂粉。
全文摘要
本發明公開了一種氮化鎂粉末的製備方法，通過將納米鎂粉放入石英管中，並於600～900℃與高純氮氣充分反應製得納米級的氮化鎂粉末，本發明製備工藝簡單，克服了現行製備方法中鎂易被空氣氧化的問題，並製得高純度的氮化鎂粉末。
文檔編號C01B21/06GK102491289SQ201110409990
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者丁文江, 曾小勤, 鄒建新, 郭皓 申請人:上海交通大學