納米氮化矽粉的製備方法與流程

2023-12-11 12:47:32 2

【技術領域】

本發明涉及材料領域，特別涉及一種納米氮化矽粉的製備方法。

背景技術：

氮化矽(si3n4)陶瓷的洛氏硬度為hra90-92，僅次於金剛石，遠遠超過耐磨鋼和不鏽鋼及氧化鋁、氧化鋯陶瓷；氮化矽陶瓷的耐磨性相當於錳鋼的500倍，氧化鋁耐磨片的10倍；氮化矽陶瓷的密度為3.2g/cm3，僅為鋼鐵的一半不到，用於實際中可以大大減輕產品的重量。同時，氮化矽陶瓷耐高溫，可在1300度的環境下長期使用不老化；並且可以承受其他材料不能承受的高輕度的熱衝擊，在急速升溫和降溫的狀況下也不會有損傷；除此之外，氮化矽陶瓷還耐酸鹼腐蝕，高溫抗氧化，因此氮化矽陶瓷廣泛應用於電子、軍工、冶金、機械、化工等重要領域。然而，氮化矽作為原子晶體，si-n結合力強，極難燒結，燒結體難於達到緻密。解決這個問題的主要手段是在燒結過程中採用納米級的原料粉體。由於粉體粒度小，活性高，容易在較低溫度下獲得緻密體，因此，如何製備得到納米粉體是研究者關注的熱點。

氮化矽的製備方法主要有直接氮化法、碳熱還原法、鞋醯亞胺分解法、等離子法等方法，但各自均有缺點，直接氮化法由於反應過程中產生巨大熱量，使反應溫度波動較大，難於控制，因此產物顆粒不均勻，同時部分矽粉因為反應生成的氮化矽的阻擋，與氮氣接觸不充分，因此並沒有進行反應，留在產物中導致雜質比例較大。熱還原法在製備氮化桂的過程中很容易同時生成碳化矽，因此產物不純。鞋醯亞胺分解法製備氮化矽的生產條件要求比較苛刻，成本比較高，而且產物中會含有較多的氯離子。等離子法生產成本高，產量較低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種顆粒均勻純度高的納米氮化矽粉體的製備方法。

本發明公開一種納米氮化矽粉體的製備方法，將重量比例為100：1-100的矽粉與氮化矽粉的混合體及氮化矽球置於管式旋轉加熱爐裡，在1100-1600℃氮氣氛圍裡氮化反應1-20h，冷卻後得到納米氮化矽粉體。

優選地，將所述矽粉在與氮化矽粉混合之前進行預處理，該預處理是將矽粉經球磨機進行粉碎，然後在超音波下進行粉碎，再經過旋轉蒸發乾燥。

優選地，所述矽粉的顆粒尺寸為10-1000nm，純度為90-99.999％；所述氮化矽粉的純度為90-99.999％

優選地，所述混合體的混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化矽材質。

優選地，所述管式旋轉加熱爐在加熱過程中旋轉，使內部粉末能夠均勻並且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應。

優選地，所述管式旋轉加熱爐內部氮氣氛圍為純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合體。

優選地，所述氮化矽粉為α-si3n4、β-si3n4、無定形態si3n4的一種或多種。

優選地，所述管式旋轉加熱爐的升溫速度為1-20℃/min。

優選地，所述氮化矽球的純度為50-99.999％，數量大於等於1個。

與現有技術相比，本發明的製備方法在矽粉中加入氮化矽粉，該氮化矽粉在1800℃以下均能穩定存在，且不受溫度影響，因此在矽粉與氮氣反應過程中在一定程度上能夠抑制溫度快速上升，使反應在穩定的溫度下進行，因此生成物的產物尺寸均一；另一方面，在反應過程中，燒結爐可以旋轉，使得內部的粉末能夠均勻受熱，同時在氮化矽球的研磨和攪拌作用下，且在高溫狀態下，生成的氮化矽粉末極易被粉碎，粉末顆粒變小的同時能夠讓原先在內部的矽粉與氮氣充分接觸，從而反應更為充分，減少產物中矽雜質的殘留。

【具體實施方式】

下面通過具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的保護範圍不局限於以下實施例。

本發明公開一種納米si3n4粉體的製備方法，矽粉在與氮化矽混合之前需進行預處理，該預處理過程是將矽粉經球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然後在超音波下進行進一步粉碎，再經過旋轉蒸發乾燥。將重量比例為100：1-100的矽粉與氮化矽粉的混合體及氮化矽球置於管式旋轉加熱爐裡在1100-1600℃氮氣氛圍裡進行氮化反應，保持1-20h後隨爐冷卻後得到納米級氮化矽粉體。所述矽粉的顆粒尺寸為10-1000nm，純度為90-99.999％；所述si3n4的純度為90-99.999％。在反應發生時，所述管式旋轉加熱爐內部氣氛為純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合。所述氮化矽粉為α-si3n4、β-si3n4、無定形態si3n4的一種或多種。加熱過程中的升溫速度為1-20℃/min。所述氮化矽球的純度為50-99.999％，數量大於等於1個。納米si3n4的產物粒徑分布為30-600nm。

實施例1

將500g顆粒尺寸為30nm，純度為99％的矽粉預處理，該預處理過程是將該矽粉經球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然後在超音波下進行進一步粉碎，再經過旋轉蒸發乾燥。然後將預處理後的矽粉與200g純度為99.9％的α-si3n4粉進行混合，混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化矽材質，得到矽與氮化矽的混合體，然後與10個直徑為10mm的純度為99.9％的氮化矽球一併在管式旋轉加熱爐裡進行氮化反應，所述管式旋轉加熱爐可在加熱過程中旋轉，使粉末能夠均勻並且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應；升溫速度為20℃/min，溫度為1200℃，內部氣氛為純氮氣，反應10h，隨爐冷卻後得到納米si3n4，產物粒徑分布為30-500nm。

實施例2

將500g顆粒尺寸為30nm，純度為99％的矽粉預處理，該預處理過程是將該矽粉經球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然後在超音波下進行進一步粉碎，再經過旋轉蒸發乾燥。然後將預處理後的矽粉與300g純度為99.9％的α-si3n4粉進行混合，混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化矽材質，得到矽與氮化矽的混合體，然後與10個直徑為10mm的純度為99.9％的氮化矽球一併在管式旋轉加熱爐裡進行氮化反應，所述管式旋轉加熱爐可在加熱過程中旋轉，使粉末能夠均勻並且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應；升溫速度為20℃/min，溫度為1300℃，內部氣氛為純氮氣，反應5h，隨爐冷卻後得到納米si3n4，產物粒徑分布為40-600nm。

實施例3

將500g顆粒尺寸為30nm，純度為99％的矽粉預處理，該預處理過程是將該矽粉經球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然後在超音波下進行進一步粉碎，再經過旋轉蒸發乾燥。然後將預處理後的矽粉與500g純度為99.9％的α-si3n4粉進行混合，混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化矽材質，得到矽與氮化矽的混合體，然後與10個直徑為10mm的純度為99.9％的氮化矽球一併在管式旋轉加熱爐裡進行氮化反應，所述管式旋轉加熱爐可在加熱過程中旋轉，使粉末能夠均勻並且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應；升溫速度為20℃/min，溫度為1400℃，內部氣氛為純氮氣，反應2h，隨爐冷卻後得到納米si3n4，產物粒徑分布為30-400nm。

本發明的製備方法在矽粉中加入氮化矽(si3n4)粉，該氮化矽粉在1800℃以下均能穩定存在，且不受溫度影響，因此在矽粉與氮氣反應過程中在一定程度上能夠抑制溫度快速上升，使反應在穩定的溫度下進行，因此生成物的產物尺寸均一；另一方面，在反應過程中，燒結爐可以旋轉，使得內部的粉末能夠均勻受熱，同時在氮化矽球的研磨和攪拌作用下，且在高溫狀態下，生成的氮化矽粉末極易被粉碎，粉末顆粒變小的同時能夠讓原先在內部的矽粉與氮氣充分接觸，從而反應更為充分，減少產物中矽雜質的殘留。

上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明技術方案所做出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護範圍內。