专利名称：一种高含量α晶形氮化硅粉末的生产方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化硅粉末的生产方法，尤其涉及一种α -Si3N4含量较高的生产新方法，属无机化学技术领域。
背景技术：
氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构材料，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称。它是一种超硬物质，既是优良的高温结构材料，又是新型的功能材料。本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化，而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000°c以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。具体到物理性能方面，氮化硅材料具有硬度高、耐磨损、弹性模量大、强度高、耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性好、密度低、表面摩擦系数小、电绝缘性能好等特点。氮化硅陶瓷适于作为各种特殊用途的结构材料，应用领域涉及到机械、化工、电子、军工等行业，在汽车、机械、 冶金和化学工程等领域已具有极为广阔的应用前景，并逐渐渗透到空间技术、海洋开发、电子技术、医疗卫生、无损检测、自动控制、广播电视等多个尖端科学领域。21世纪氮化硅陶瓷将同金属、有机高分子材料继续为人类社会的进步、科技的发展发挥更大的作用。纳米氮化硅具有两种晶型亚稳的低温相六方α-Si3N4和稳定的高温相六方 β -Si3N4, α -Si3N4硬度大于β -Si3N4,而β -Si3N4韧性大于α -Si3N4。氮化硅粉体的粒径、 α,β相含量以及杂质含量决定了其质量的好坏，并直接影响陶瓷制品的品质，如果氮化硅粉体的颗粒很细以至于达到纳米级或亚微米级，或其中添加的强化项是纳米级或亚微米级的，那么陶瓷的韧性将会大幅度增加，从而适应各种场合的需要。制备高性能陶瓷制品对氮化硅粉体的要求很高。而氮化硅粉体质量取决于其制备方法，目前常用的制备方法有硅粉直接氮化法、碳热还原法、商化硅氨解法、制备前驱体法、化学复分解法、原位合成法、硅合金氨解法等，普遍存在如下不足由大颗粒氮化硅、多相粉体烧结制备，脆性大、均勻性差、 可靠性低、韧性和强度差，使其应用受到较大的限制。而硅粉直接氮化法制备氮化硅粉体要求氮气压力必须足够高，以实现Si和N2的充分接触。一般燃烧合成Si3N4的氮气压力低限是3MPa，但有时高达IOOMPa以上。采用高压合成工艺不仅因设备投资高而且增加了生产成本，同时也给生产带来了安全隐患。从国内外氮化硅粉体的指标测试和试烧结果看来，国内最具代表性企业生产的Si3N4平均颗粒在3微米左右，金属杂质含量较高，难以达到合格产品要求，而进口的粉体为0.7微米以下。因此，为满足市场需求，工业化生产超微、高质量的氮化硅粉末是国内氮化硅行业发展中亟待解决的课题，刻不容缓。关键在于对其合成工艺进行改进。
发明内容
针对现有技术状况，本发明目的在于对现有工艺进行改进，提供一种α晶形含量高、杂质少、超微细的氮化硅粉末的生产方法，满足氮化硅实际应用需求。本发明采用硅粉直接氮化法，即纯净的硅粉在氮气气氛中高温下通过氮向硅粉内部扩散生成氮化硅。但在氮化反应的同时还伴随着硅粉的烧结过程，阻碍了硅粉的进一步氮化，本发明对其合成工艺进行了改进，在硅粉素坯中引入氮化硅做稀释剂，提高硅粉的氮化效率，使产物中残留的硅量降低，并对影响氮化硅转化率的氮化温度、氮化速度、及硅粉粒度等工艺因素进行了探讨，以实现本发明目的。技术方案如下(1)首先通过机械活化方式预处理硅粉，使原料硅粉细化和非晶化，从而提高固相反应剂活性，强化Si-N2之间的气-固相界面反应，提高低氮气温度和低压力下Si-N2放热燃烧反应速度。研磨时，加入硅粉重量90%的水、硅粉重量0.2%的聚甲基丙烯酸及硅粉重量3倍的氮化硅球磨介，配好磨料。(2)加入α-Si3N4和纳米非晶Si3N4混合作为稀释剂，防止硅粉自烧结，同时作为生成物的晶核；将硅粉和稀释剂混合均勻。复合稀释剂α -Si3N4和纳米非晶Si3N4重量比为1 1 ；复合稀释剂添加量为硅粉重量的20%。(3)氮气保护气氛下干燥硅粉和稀释剂，常压下，以一定流量通入氮气，置换出炉内空气；然后加热至1350°C，缓慢转动燃炉，一方面防止熔化的硅粉粘结壁面以及氮化产物结块，另一方面可以将物料分散，加强硅粉与氮气的接触，使硅粉与氮气充分反应。(4)冷却至室温后，放入嵌有聚四氟乙烯内衬的球磨罐或尼龙罐中研磨合成的 Si3N4粉体加入Si3N4重量90%的水、Si3N4重量0.2%的聚甲基丙烯酸及Si3N4重量3倍的氮化硅球磨介，研磨合成的Si3N4粉体。研磨5-1 后，粉料的粒度范围在0. 696ym-0. 515ym0 将浆料过筛滤除磨介，烘干后磨碎浆块再过筛。在实际生产中可通过微电脑控制采用梯度程序升温加热方式，分段保温、慢速升温、提高硅粉氮化的效果。原理及优点在于本发明首先采用机械活化硅粒，减小粉料粒度，细化晶粒，增加晶粒内部的微观应变和缺陷，增大Si-N2反应界面，起到强化Si-N2反应的作用，从而提高反应剂活性，可使反应温度大幅度降低。该工艺过程不需要高温高压环境，操作简单，原料易得，产品纯度高、低成本、高效、环保安全、节能，是一条经济、高效、且可进行大规模生产的工艺线路。本发明制得的高含量微米α -Si3N4技术指标达到或超过Q/GYHT001-2010，其极小的粒径、很大的比表面积和较高的化学性能，可以显著提高氮化硅的烧结致密化程度，降低烧结温度，节约能源。由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能，如果氮化硅粉料的颗粒堆积均勻，烧制收缩一致且晶粒均勻长大，颗粒越小时所产生的微观缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越高，这样就能有效地克服脆性，提高柔韧性和可加工性能。不同α、β相含量的氮化硅其性能不同，将本发明制得的高含量微米α -Si3N4应用于陶瓷材料中，显微结构表明，晶粒、晶界及它们之间的结合尺寸都处在纳米水平(Inm IOOnm)，并使陶瓷材料的强度大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。
图1本发明工艺路线图；图21350°C下氮化IOmin时复合稀释剂添加比例对氮化过程的影响；
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图3经不同机械活化时间处理后的氮化硅XRD谱；图4复合稀释剂添加20%而氮化时间为IOmin时氮化温度对氮化过程的影响；图51350°C下复合稀释剂添加20%时氮化时间对氮化过程的影响；图6本发明实验条件下制得氮化硅的XRD谱；图7本发明实验条件下制得氮化硅粒度分布图。晶型用Bruker D8 FOCUS型X-射线衍射分析
具体实施例方式为对本发明进行更好的说明，结合试验过程举实施例如下1、主要原材料硅粉，工业级，纯度彡99. 7%;a -Si3N4，微米非晶Si3N4和纳米非晶 Si3N4 ；高纯氮气，纯度99. 99%，均为市售品。2、实验方法首先研磨，具体方法加入硅粉重量90%的水、硅粉重量0. 2%的聚甲基丙烯酸及硅粉重量3倍的氮化硅球磨介，配好磨料。放入嵌有聚四氟乙烯内衬的球磨罐或尼龙罐中， 在立式搅拌球磨机和两个大小行星球磨机中分别进行研磨。研磨时间分别为5、10、15、20、 25、"^SOUOOh,分别取样进行粒度检测分析。研磨达到所需要的粒度后，停止研磨。将浆料过筛滤除磨介，烘干后磨碎浆块再过筛。而后将活化后的硅粉和α -Si3N4或微米非晶Si3N4或纳米非晶Si3N4稀释剂装入燃烧炉炉腔内。在开始加热前，以2. OL/min的氮气流量通入燃烧炉炉腔，持续30min，置换炉腔内空气。然后以1. OL/min氮气流量通入，缓慢转动燃烧炉，一方面可以防止熔化的硅粉粘结壁面以及氮化产物结块，另一方面可以将物料分散，加强硅粉与氮气的接触。实验完成后，待样品管冷却至室温后，倒出并收集产品，加入Si3N4重量90 %的水、Si3N4重量0. 2 %的聚甲基丙烯酸及Si3N4重量3倍的氮化硅球磨介，研磨合成的Si3N4粉体，对样品进行分析。3、结果与讨论3. 1稀释剂种类对氮化过程的影响硅粉在很高的温度下直接氮化合成Si3N4时，硅粉出现熔化，容易结成球团，自烧结现象明显，导致粉末之间的气孔阻塞封闭，阻碍了硅粉的进一步氮化。因此，在硅粉中添加适量Si3N4作为稀释剂，是避免出现上述现象的有效途径。当三种稀释剂的添加比例分别为50%，氮化温度为1350°C，氮化时间为lOmin，生产的氮化硅如表1所示。表1添加不同种类稀释剂时氮化硅组成
稀释剂种类各成分产率(％)Si的转化率 (%)α -Si3N4P-Si3N4游离Siα -Si3N469.929. 90. 299. 4微米非晶Si具72. 2188.977.6纳米非晶Si3N464. 192.892.6
可以看出，在相同条件下，添加α-Si3N4作为稀释剂，硅的转化率最高，达99.4%， 而添加微米非晶Si3N4作为稀释剂，硅的转化率较低，只有77. 6%，因此，使用α -Si3N4作为稀释剂，更有利于促进硅向Si3N4的转化，但氮化产物中β相含量较高，因为Ci-Si3N4在高温下将向β相转变。与微米非晶Si3N4相比，选用纳米非晶Si3N4作为稀释剂时，硅的转化率较高，氮化产物中β-Si3N4含量较低。就促进硅的转化率而言，α-Si3N4的效果最佳，其次为纳米非晶Si3N4，微米非晶Si3N4的效果较差，而以纳米非晶Si3N4为稀释剂时，氮化产物中β-Si3N4含量较低。因此，为了获得较高的硅的转化率，同时使氮化产物中β相含量保持较低，选用α -Si3N4和纳米非晶Si3N4混合作为稀释剂是较佳的选择。在上述条件下，以α -Si3N4和纳米非晶Si3N4混合作为稀释剂，氮化硅组成如表2 表权利要求
1.一种高含量α晶形氮化硅粉末的生产方法，其特征在于，通过如下步骤实现(1)首先通过机械活化方式预处理硅粉；研磨时加入硅粉重量90%的水、硅粉重量 0. 2%的聚甲基丙烯酸及硅粉重量3倍的氮化硅球磨介，配好磨料；(2)加入α-Si3N4和纳米非晶Si3N4复合稀释剂，将硅粉和稀释剂α -Si3N4混合均勻； 复合稀释剂添加量为硅粉重量的20% ；(3)氮气保护下干燥硅粉和稀释剂，常压下，以一定流量通入氮气，置换出炉内空气； 然后加热至1350°C，缓慢转动燃炉，使硅粉与氮气充分反应，氮化时间为15min ；(4)冷却至室温后，放入嵌有聚四氟乙烯内衬的球磨罐或尼龙罐中研磨合成的Si3N4粉体；而后过筛滤除磨介，烘干后磨碎浆块再过筛。
2.如权利要求1所述的氮化硅粉末的生产方法，其特征在于，步骤(4)研磨时加入 Si3N4重量90%的水、Si3N4重量0. 2%的聚甲基丙烯酸及Si3N重量3倍的氮化硅球磨介，研磨合成的Si3N4粉体。
3.如权利要求1所述的氮化硅粉末的生产方法，其特征在于，复合稀释剂α-Si3N4和纳米非晶Si3N4重量比为1 1。
4.如权利要求1-3其中之一所述的氮化硅粉末的生产方法，其特征在于，采用立式研磨机机械活化硅粉他；采用立式研磨机研磨Si3N4粉体7-10h。
5.如权利要求1-3其中之一所述的氮化硅粉末的生产方法，其特征在于，所用的加热方式通过微电脑控制采用梯度程序升温方式进行。
全文摘要
本发明公开了一种氮化硅粉末的生产方法，尤其涉及一种α-Si3N4含量较高的生产新方法，属无机化学技术领域。该方法首先采用机械活化对原料粉体进行预处理，并在硅粉常压高温直接氮化时加入α-Si3N4和纳米非晶Si3N4混合作为稀释剂。通过控制稀释剂的添加比例、氮化时间和温度，合成高α相含量的氮化硅粉。该工艺提高了固相反应剂活性，强化了Si和N2反应。不需要高温高压环境，操作简单，原料易得，产品纯度高、低成本、高效、环保安全、节能，是一条经济、高效、且可进行大规模生产的工艺。
文档编号C01B21/068GK102173396SQ20111002596
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者刘青兰, 吕品品, 崔航航, 李苇娜, 王会贤, 车翰卿, 郭晶晶, 郭留洋, 陈彤, 马腾飞 申请人:巩义市宏泰氮化硅材料有限公司