纳米Fe或Fe₂O₃包覆Si₃N₄颗粒的复合粉末及其制备方法

专利名称：纳米Fe或Fe₂O₃包覆Si₃N₄颗粒的复合粉末及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米Fe或Fe203包覆Si3N4颗粒的复合粉末及其 制备方法。
背景技术：
金属陶瓷作为一种金属或陶瓷复合材料既具有陶瓷材料的高强 度、高硬度又具有金属材料的韧性、可加工性等优点，成为目前材料 改性的一个主要有效方式。近年来,复合型(尤其是核壳式)纳米材料的 技术兴起，为金属陶瓷的发展开辟了全新的道路。将金属与陶瓷在纳 米尺度上以某种方式结合在一起而构成的复合粒子，不仅能有效地提 高材料的性能,而且往往会产生许多新的优异特性,如提高纳米粒子的 稳定性，调节其光学性能、磁学性能、热学性能、电学性能以及表面 活性和敏感特性，使其满足多种特殊需求，具有较高的应用价值。金属相与陶瓷相本身的性能对金属陶瓷性能起着决定性作用。 Si3N4作为一种高温陶瓷，在高温领域较其它高温陶瓷有着不可比拟 的均衡优势，与之相比，氧化铝陶瓷耐热冲击差，强度低；氧化锆陶 瓷高温强度低，硬度低；碳化硅陶瓷的抗弯强度只达到氮化硅陶瓷的 一半。金属Fe与其它金属相比具有中等熔点与很好的强度和韧性， 与陶瓷复合，能有效地改善陶瓷的韧性，并能承受一定的高温。采用 纳米技术，将纳米Fe与Si3N4复合制备金属陶瓷目前却鲜有人研究， 但其应用前景极为广阔与诱人。其制备的Fe或SbN4金属陶瓷具有模 量高、硬度高、化学稳定性好、密度低、机械强度高、硬度大、耐磨、 耐高温、耐腐蚀等特点，可用来制造要求一定韧性的高强度、耐磨损、 耐高温等部件，在国防军工、航空航天、医疗、汽车发动机、电子元 件等领域具有广泛的用途。此外，纳米Fe或Fe203具有优良的磁性，将其与非磁性的绝缘Si3N4陶瓷基体复合兼具备了纳米材料、磁性材料、陶瓷材料多重性能，使他们在磁介质、抗腐蚀材料、抗氧化材料、 高温磁性材料、高温吸波材料等方面也有着广阔的应用前景。

发明内容
本发明目的在于采用纳米或微米技术，在Si3N4颗粒表面均匀包覆上一层纳米Fe或Fe203薄层，并使复合颗粒中的Fe或Fe203与SigN4配比，纳米Fe或Fe203包覆薄层厚度及包覆形态具有可控性，Fe或Fe203为Si3N4重量百分比的1%-90%。 为达到上述目的，本发明所采用的方案是 选用SisN4粉末，颗粒大小控制在10nm-20um之间； 使用分散剂如有机胺及其盐、表面活性剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、聚合物等，加入范围控制在溶质量质量百分含量0.01-10%范围内,超声波与搅拌，获得分散良好的Si3N4悬浮液。控制铁盐溶液与碱溶液加入速度、溶液的最终PH值控制在6— 12，使得铁盐与碱溶液充分均匀的反应，生成的铁氧化合物最终能均 匀包覆在Si3N4颗粒表面。二价或三价的铁盐为铁的氯化物、硫酸盐、 摩尔盐或草酸盐;碱盐为Na2C03、 NaHC03、 NH3.H20、 NH3HC03、 NaOH、 KOH、 kHCO^K2C03。采用分步包覆法，获得Fe或Fe203包覆Si3N4颗粒复合粉末中的 Fe或Fe203质量比含量高达90%,并且包覆均匀。将步骤复合粉末放置铁容器内，高温热还原得到纳米Fe包覆 Si3N4颗粒的复合粉末，还原气体为H2、 CO、 NH3或其混合气体，还 原时间为l一9小时，还原温度在500—100(TC范围内。本发明的优点和积极效果，体现在获得了制备纳米Fe或Fe203包覆Si3N4颗粒的复合粉末方法，采 用分步包覆法，可获得Fe或Fe203包覆Si3N4颗粒复合粉末中的Fe 或Fe203质量比含量高达90。/。，并且包覆均匀。
具体实施方式
实施例1:(1) 分别称取15克lum左右大小片状a-Si3N4粉末与5ml聚二乙 醇400，置入一升去离子水溶液中；称取5克FeS04.7H20置入200 毫升去离子水溶液搅拌配制好FeS04溶液；按0.5mol/L配制好的 NaC03水溶液；(2) 搅拌与超声波震荡Si3N4水溶液二十分钟后，将FeS04与Na2C03水溶液缓缓同时滴加入，最终FeS04溶液全部滴加入，NaC03 溶液在溶液PH二8.5时停止滴加，机械搅拌与超声波震荡一直持续到 这个过程结束后十分钟；(3) 将沉淀物过滤，清洗反复三次后烘干；(4) 将烘干的沉淀物在空气中400'C煅烧2小时，获得所要求的 8%左右含量纳米Fe203包覆Si3N4复合颗粒粉末。实施例2:(1) 分别称取15克lum左右大小片状a -813>^4粉末与5ml聚二 乙醇400，置入一升去离子水溶液中；称取10克FeS04.7H20置入200 毫升去离子水溶液搅拌配制好FeS04溶液；按0.5mol或L配制好的 NaCCb水溶液；(2) 搅拌与超声波震荡Si3N4水溶液二十分钟后，将FeS04与 Na2C03水溶液缓缓同时加入，最终配制的FeS04溶液全部加入， NaC03溶液在溶液PH-11.5时停止滴加，搅拌与超声波震荡一直持 续到这个过程结束后十分钟；(3) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，过滤，反复三 次后空气中烘干，将烘干的沉淀物在空气中90(TC煅烧2小时，获得 以2.8克纳米Fe203包覆15克Si3N4复合颗粒粉末；(4) 将上述制得的纳米Fe203包覆Si3N4复合颗粒粉末与5ml聚二 乙醇400置入一升去离子水溶液中；再称取10克FeS04.7H20置入 200毫升去离子水溶液配制FeSCV溶液；(5) 搅拌与超声波震荡上述制得的Fe203包覆SbN4复合颗粒粉末 溶液二十分钟后，将FeS04与Na2C03水溶液缓缓同时滴加入，FeS04 溶液全部加入，NaC03溶液在溶液PH二11.5时停止滴加，机械搅拌 与超声波震荡一直持续到这个过程结束后十分钟；(6) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，过滤，反复三 次后空气中烘干，将烘干的沉淀物在空气中90(TC煅烧2小时，获得 以5.6克纳米Fe203包覆15克Si3N4复合颗粒粉末；(7) 称取10克FeS04.7H20置入200毫升去离子水溶液配制FeS04 溶液，再按上述步骤再包覆，清洗，烘干，在空气中900。C煅烧2小时，获得约8.4克Fe203薄层均匀包覆15克Si3N4复合颗粒粉末，如此 反复，最终获得84克Fe203薄层包覆15克Si3N4复合颗粒粉末，即 约含量为84%左右的Fe203包覆Si3N4复合颗粒粉末； 实施例3:(1) 分别称取15克lum左右大小片状a -5131^4粉末与5ml聚二 乙醇400，置入一升去离子水溶液中；称取10克FeS04.7H20置入200 毫升去离子水溶液搅拌配制好FeSCV溶液；按0.5mol或L配制好的 NaCCb水溶液；(2) 搅拌与超声波震荡Si3N4水溶液二十分钟后，将FeS04与 Na2C03水溶液缓缓同时加入，最终配制的FeS04溶液全部加入， NaC03溶液在溶液PH二9.2时停止滴加，搅拌与超声波震荡一直持续 到这个过程结束后十分钟；(3) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，过滤，反复三 次后空气中烘干，将烘干的沉淀物在空气中90(TC煅烧2小时，获得 以2.8克纳米Fe20'3包覆15克Si3N4复合颗粒粉末；(4) 将上述制得的纳米Fe203包覆Si3N4复合颗粒粉末与5ml聚二 乙醇400置入一升去离子水溶液中；再称取10克FeS04.7H20置入 200毫升去离子水溶液配制FeS04溶液；(5) 搅拌与超声波震荡上述制得的Fe203包覆Si3N4复合颗粒粉末 溶液二十分钟后，将FeS04与Na2C03水溶液缓缓同时滴加入，FeS04 溶液全部加入，NaC03溶液在溶液PH二9.2时停止滴加，机械搅拌与 超声波震荡一直持续到这个过程结束后十分钟；(6) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，过滤，反复三 次后空气中烘干，将烘干的沉淀物在空气中90(TC煅烧2小时，获得 以5.6克纳米Fe203包覆15克Si3N4复合颗粒粉末；(7) 称取10克FeS04.7H20置入200毫升去离子水溶液配制 FeS04溶液，按上述步骤再包覆，清洗，烘干，在空气中40(TC煅烧 2小时，获得约8.4克Fe203薄层均匀包覆15克Si3N4复合颗粒粉末；(8) 将上述制得的Fe203包覆Si3N4复合颗粒粉末放置铁容器，推 入氢气还原炉中还原，其还原工艺为室温下加热60min升温到 500。C，保温在500。C下保温 30min ，升温一小时到850°C，再在850°C下保温2小时，随炉降 温到200'C，将粉推入冷却区，室温充氮排氢后取出。获得所要求约 6克Fe薄层包覆15克Si3N4复合颗粒粉末，即约含量为29%左右Fe包覆Si3N4复合颗粒粉末。
权利要求
1.纳米Fe或Fe2O3包覆Si3N4颗粒的复合粉末，其特征在于Fe或Fe2O3为Si3N4重量百分比的1％-90％。
2. 一种如权利要求1所述的纳米Fe或Fe2Cb包覆Si3N4颗粒复 合粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1) 将Si3N4加入溶液中，在超声及搅拌的条件下，得到分散均 匀的Si3N4颗粒悬浮液；(2) 在超声及搅拌的条件下，将分散剂加入Si3N4悬浮液中，分 散剂为有机胺、有机胺盐、表面活性剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂 或聚合物，加入量为溶液质量的0.01-10%;(3) 配制二价或三价铁盐溶液和碱盐溶液；(4) 在超声及机械搅拌的条件下，将铁盐溶液与碱溶液加入至 步骤(2)配制的悬浮液中，控制溶液的PH值范围为6—12，获得铁氧化合物均匀包覆Si3N4颗粒的复合颗粒；(5) 将制备的复合颗粒溶液过滤或高速离心机分离出来，反复 清洗，过滤，烘干，在空气中200。C一100(TC范围内煅烧l一10h，获 得纳米薄层Fe2Cb包覆Si3N4颗粒的复合粉末；(6) 将复合颗粒加入水溶液中，在超声及搅拌的条件下，得到 分散均匀的悬浮液，然后按(2) (3) (4) (5)步骤重新包覆，获得 第二层纳米Fe203薄层包覆，此步骤按要求重复，最终达到包覆层要 求厚度；(7) 将步骤(5)或(6)制的复合粉末放置铁容器内，高温热 还原得到纳米Fe包覆Si3N4颗粒的复合粉末。
3. 根据要求2所述的制备纳米Fe或Fe203包覆Si3N4颗粒复合 粉末的方法，其特征在于所述的Si3N4粉末颗粒大小在10nm-20um 之间。
4. 根据要求2所述的制备纳米Fe或Fe2Cb包覆SbN4颗粒复合 粉末的方法，其特征在于所述的二价或三价的铁盐为铁的氯化物、硫酸盐、摩尔盐或草酸盐;碱盐为Na2C03、 NaHC03、 NH3.H20、 NH3HC03、 NaOH、 KOH、 kHCO^K2C03。
5.根据要求2所述的制备纳米Fe或Fe203包覆Si3N4颗粒复合 粉末的方法，其特征在于步骤(7)所述的还原气体为H2、 CO、 NH3或其混合气体，还原时间为1_9小时，还原温度在500—1000 'C范围内。
全文摘要
本发明涉及纳米Fe或Fe₂O₃包覆Si₃N₄颗粒的复合粉末及其制备方法，采用非均相沉淀法将纳米铁氧化合物沉积在Si₃N₄颗粒表面，经过滤、烘干、煅烧获得纳米Fe₂O₃包覆Si₃N₄复合颗粒粉末，将此粉末进行热还原处理获得纳米Fe包覆Si₃N₄复合颗粒粉末。包括制备均匀分散的Si₃N₄悬浮液；配制铁盐溶液和碱溶液；在搅拌与超声情况下，将铁盐溶液与碱溶液加入Si₃N₄的悬浮液中；经反复洗涤，过滤，烘干，然后在空气中煅烧获得纳米Fe₂O₃包覆Si₃N₄复合颗粒粉末，经热还原获得纳米Fe包覆Si₃N₄颗粒复合粉末。本发明复合粉末中的Fe或Fe₂O₃质量比含量范围在1％-90％，并且包覆均匀。
文档编号B22F1/02GK101259532SQ200810030408
公开日2008年9月10日 申请日期2008年1月2日 优先权日2008年1月2日
发明者涛 刘, 成会朝, 田家敏, 范景莲, 银锐明, 杨 高 申请人:中南大学