纳米Fe、Mo包覆Si₃N₄颗粒的复合粉末及其制备方法

专利名称：纳米Fe、Mo包覆Si₃N₄颗粒的复合粉末及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米Fe、 Mo包覆Si3N4颗粒复合粉末及其制备方法。
技术背景金属陶瓷作为一种金属/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。金属相与陶瓷相的选择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。高熔点金属Mo强度较高，韧性相 对较差，将其作为金属陶瓷的金属相研究不多，但是复合材料的性能还取决 于组织，若是高熔点的金属相能以纳米级的尺寸弥散地分布于陶瓷基体中， 不仅可以保持材料本身的高强度，还具有很好的韧性，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，而高熔点金属Mo (熔点2617'C)在 中熔点金属Fe (熔点1535°C)中的溶解度可达37.5%， Fe、 Mo生成固溶体 可以有效提高铁素体的的硬度和显著地提高奥氏体的可淬性。Mo可以使强度 高的非合金钢铁产生良好的韧性，并能进一步提高抗拉强度与硬度。此外， 钼铁中钼含量超过一定比例时，其熔点则会大幅上升。故而，将Fe、 Mo与 Si3N4在纳米尺度复合制备的新型金属陶瓷，能有效地改善陶瓷的韧性，并能 承受高温。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。发明内容本发明目的在于采用纳米技术，在纳米或微米大小的Si3N4颗粒表面均 匀包覆上一层纳米Fe、Mo，复合颗粒中Fe、Mo之间元素含量比例可调，Si3N4 与包覆量配比可调，包覆薄层厚度具有可控性。为达到上述目的，本发明所采用的方案是-选用Si3Kt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。通过调节超声波强度、搅拌速度、分散 剂的数量、水溶液PH值得到Si3N4悬浮液最好的分散效果。控制铁盐溶液、钼酸盐与碱溶液加入速度、溶液的最终PH值控制在6— 12，使得溶液充分均匀的反应，生成的铁、钼氧化合物最终能均匀包覆在Si3N4 颗粒表面；采用分步包覆法，获得纳米Fe、 Mo包覆Si3N4颗粒复合粉末中的金属质 量比含量高达90%，并且包覆均匀。将复合粉末放置铁容器内，高温热还原得到纳米Fe、 Mo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1_9小 时，还原温度在500—100(TC范围内。本发明获得了制备纳米Fe、 Mo包覆Si3N4颗粒的复合粉末方法，采用 分步包覆法，可获得Fe、 Mo包覆Si3N4颗粒复合粉末中金属及金属化合物质 量比含量高达90%， Fe、 Mo元素之间Fe元素质量含量范围可在0-100。/。范围 内调节，并且包覆均匀。
具体实施例方式实施例1:(1) 分别称取15克lu左右大小片状a ^3>^4粉末与5ml聚二乙醇400， 置入一升去离子水溶液中；粉末、称取5克FeS04.7H20、 5克(NH4) 6Mo7024.4H20与5ml聚二乙醇400置入1.5升去离子水溶液；控0.25mol/L配 制好氨水溶液；(2) 机械搅拌与超声波震荡Si3N4、 FeS04.7H20、 (NH4) 6Mo7024.4H20与 聚二乙醇400混合物水溶液二十分钟后，将配制好的氨水溶液缓缓滴加入，当溶液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；(3) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，再经过滤，反复次数至 少三次，将所得沉淀物在空气中80'C左右烘干；(4) 将所得沉淀物在空气中50(TC煅烧2小时，获得Fe、 Mo氧化物包覆Si3Hj粉末。(5) 将上述制得Fe、 Mo氧化物包覆Si3N4复合颗粒粉末放置铁容器，推 入氢气还原炉中还原，其还原工艺为宰温60min 一500。C 30min ， 500。C60mii;880。C 120mii^880°C-^随炉降温20(TC，将粉推入冷却区-^室温充氮排氢后取出获得纳米Fe、 Mo质量为包覆SbN4颗粒粉末，其中Fe、 Mo元素在复合粉末 中质量含量约为12.6%，Fe元素在复合粉末Fe、Mo元素之间质量含量为27%。 实施例2:(1) 分别称取15克lu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；粉末、称取10克FeS04.7H20、 2克(NH4) 6Mo7024.4H20与5ml聚二乙醇400置入1.5升去离子水溶液；按0.25mol/L配 制好氨水溶液；(2) 机械搅拌与超声波震荡Si3N4、 FeS04.7H20、 (NH4) 6Mo7024.4H20与 聚二乙醇400混合物水溶液二十分钟后，将配制好的氨水溶液缓缓滴加入， 当溶液PH: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；(3) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，再经过滤，反复次数至 少三次，将所得沉淀物在空气中80。C左右烘干；(4) 将所得沉淀物在空气中500。C煅烧2小时，获得Fe、 Mo氧化物包覆Si3N4粉末。(5) 将上述制得Fe、 Mo氧化物包覆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iQmi2_^500°C JMilL^ 500°C60mi、88(TC 120mi"80。C-^随炉降温20(TC，将粉推入冷却区-^室温充氮排氢后取出获得纳米Fe、 Mo质量为包覆Si3N4颗粒粉末，其中Fe、 Mo元素在复合粉末 中质量含量约为12.6%， Fe元素在复合粉末Fe、 Mo元素之间质量含量为96.7%。实施例3:(1) 分别称取15克lu左右大小片状a-Si3N4粉末、称取5克FeS(V7H20、 10克(NH4) 6Mo7024.4H20与5ml聚二乙醇400置入1.5升去离子水溶液； 按0.25mol/L配制好氨水溶液；(2) 机械搅拌与超声波震荡Si3N4、 FeS04.7H20、 (NH4) 6Mo7024.4H20与聚二乙醇400混合物水溶液二十分钟后，将配制好的氨水溶液缓缓滴加入， 当溶液PH二9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) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，再经过滤，反复次数至 少三次，将所得沉淀物在空气中80'C左右烘干；(4) 将所得沉淀物在空气中50(TC煅烧2小时，获得Fe、 Mo氧化物包覆Si3N4粉末。(5) 将上述制得的Fe、 Mo氧化物包覆Si3N4复合颗粒粉末、5克 FeS04.7H20、 10克(NH4) 6]^07024与5ml聚二乙醇400置入1.5升去离子水 溶液；(6) 机械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，将氨水溶液缓缓滴加入，在溶液PH=8.8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；(7) 将溶液过滤得到的沉淀物加入去离子水清洗，再经过滤，反复次数至 少三次，将所得沉淀物在空气中8(TC左右烘干；(8) 按(5)、 (6)、 (7)步骤重复15次；(9) 将所得沉淀物在空气中500。C煅烧2小时，获得高含量纳米Fe、 Mo 氧化物包覆Si3N4粉末；(10) 将上述制得Fe、 Mo氧化物包覆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60min 一500。C 30min 一 500°C60mit^880。C 120mii^880°C-随炉降温20(TC,将粉推入冷却区-^室温充氮排氢后取出获得纳米Fe、 Mo质量为包覆Si3N4颗粒粉末，其中Fe、 Mo元素在复合 粉末中质量含量约为86%， Fe元素在复合粉末Fe、 Mo元素之间质量含量约 为15%。
权利要求
1.纳米Fe、Mo包覆Si3N4颗粒的复合粉末，其特征在于Fe、Mo总的比例为Si3N4重量百分比的1％-90％，Fe、Mo之间Fe元素质量含量范围为1-99％。
2. —种如权利要求1所述的纳米Fe、 Mo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，将分散剂加入步骤(1)配制的 Si3N4悬浮液中，分散剂为有机胺、有机胺盐、表面活性剂、硅垸偶 联齐IJ、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、钼酸盐、碱盐溶液；(4) 在超声及机械搅拌的条件下，将铁盐溶液、可溶于水的钼 酸盐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，获得纳米Fe、 Mo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20(TC — 1000。C范围内煅烧l-10h，获 得纳米Fe、 Mo氧化物包覆Si3N4颗粒的复合粉末；(6) 将步骤(5)制复合颗粒加入水溶液中，在超声及机械搅拌 的条件下，得到分散均匀的悬浮液，然后按(2) (3) (4) (5)步骤 获得第二层纳米Fe、 Mo氧化物薄层包覆，多次重复，获得包覆层要 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、 Mo包覆Si3N4颗粒的复合粉末。
3. 根据要求2所述的制备纳米Fe、 Mo包覆Si3N4颗粒的方法， 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、 Mo包覆Si3N4颗粒的方法， 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、(NH4)2S04.FeS04.6H20或草酸盐;所述碱盐为Na2C03、 NaHC03、 NH3.H20、 NH3HC03、 NaOH、 KOH、 kHC03、或K2CO"
5.根据要求2所述的制备纳米Fe、 Mo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、Mo包覆Si₃N₄颗粒的复合粉末制备方法，采用非均相沉淀方法将纳米Fe、Mo氧化合物沉积在Si₃N₄颗粒表面，经过滤、烘干、煅烧后热还原处理获得纳米Fe、Mo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、钼酸盐溶液和碱溶液；在搅拌与超声情况下，将铁盐溶液、钼酸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，经热还原获得纳米Fe、Mo包覆Si₃N₄颗粒复合粉末。本发明复合粉末中的Fe、Mo质量比含量范围在1％-90％，Fe、Mo元素之间Fe元素质量含量范围可在1-99％范围内调节，并且包覆均匀。
文档编号B22F1/02GK101234426SQ20081003066
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月22日 优先权日2008年2月22日
发明者涛 刘, 成会朝, 田家敏, 范景莲, 银锐明 申请人:中南大学