一种高纯氮化铈粉体及其制备方法和应用与流程

本发明涉及材料科学技术领域，具体涉及一种高纯氮化铈粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

稀土素有“工业维生素”之美称，是极其重要的战略资源，在石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都有着广泛的应用。因此，对稀土化合物的研究显得十分重要。

氮化铈可以用来制作各种无机复合材料，如高性能陶瓷，半导体材料，发光材料等，而制备这些材料对氮化铈的纯度有着极高的要求。

目前氮化铈的制备方法中，以高温固相直接氮化法为主。这种方法的优点在于工艺简单，成本低，杂质含量低，但其缺点也十分明显，金属Ce粉在空气中易被氧化，使得产品的纯度不高，一般氮含量在6.8wt％～8.0wt％之间，难以满足客户需求。而一些其他的制备方法，如氢化物热解法，还原法，液相法，气相法等，普遍具有工艺流程复杂，生产周期长，成本高，易引入杂质，对设备要求过高，产量低等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高纯氮化铈粉体及其制备方法和应用，以解决现有技术中制得的CeN粉体纯度低，工艺复杂，设备要求高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明提供了一种高纯氮化铈粉体，该粉体CeN含量≥93.7wt％，N含量≥8.51wt％(纯度为100wt％的CeN中理论N含量是9.09wt％)。

进一步地，本发明提供了一种高纯氮化铈粉体，该粉体CeN含量≥99.5wt％，N含量≥9.04wt％。

进一步地，本发明提供了一种高纯氮化铈粉体，该粉体99.6wt％≥CeN含量≥93.7wt％，9.05wt％≥N含量≥8.51wt％。

本发明还提供了一种制备上述高纯氮化铈粉体的方法，包含如下步骤：

a、将Ce粉进行液相球磨处理，所用液体介质为去离子水、有机溶剂、稀碱性溶液中的一种，液相球磨后Ce粉的粒度为1.5μm～2.5μm；

b、按照比例称取Ce粉和助剂A、C、添加剂B为原料，其中A为NH₄Cl和NH₄F中的至少一种，B为CeN，C为无水CeCl₃，且各原料质量比为Ce粉∶A＝80∶20～95∶5，Ce粉∶(B+C)＝80∶20～95∶5，B∶C＝50∶50～20∶80；

c、将步骤a中所称取的Ce粉和助剂A混合均匀，并置于坩埚中；

d、在H₂反应气氛下以5～10℃/min的速率升温至300～500℃，保温2～5h，然后以5～10℃/min的速率降温至200℃，再自然降至室温，得到一次烧结产物；

e、将一次烧结产物充分研磨，并与步骤a中称取的添加剂B和助剂C混合均匀，置于坩埚中；

f、在N₂或NH₃或N₂和NH₃的混合气氛下以5～10℃/min的速率升温至800～1200℃，并保温4～10h，然后以5～10℃/min的速率降温至200℃，再自然降至室温，得到二次烧结产物；

g、将二次烧结产物研磨、过筛后得到高纯CeN粉体。

步骤a中，优选将Ce粉和无水乙醇在无氧环境中按固液比为1g∶5ml混合，然后在球磨机上球磨6h，自然干燥后待用，所述Ce粉纯度为99wt％。

步骤b中，添加剂B为N含量大于9wt％的CeN。

步骤f中，优选反应气氛为N₂和NH₃的混合气氛，且N₂和NH₃的体积比为N₂∶NH₃＝20∶80～90∶10。

步骤a-f均在惰性气体环境中进行。

本发明制备的所述高纯氮化铈粉体能够满足光电领域对氮化铈的纯度要求，可作为原料应用于高性能陶瓷，半导体材料和发光材料的制备。

本发明所提供的氮化铈粉体纯度高，能够很好的应用于制备高性能陶瓷，半导体材料和发光材料。本发明所提供的制备方法具有工艺简单，成本低的优点，适宜大规模工业生产。通过对Ce粉进行液相球磨处理来控制Ce粉的粒度和杂质含量，同时加入较少量的添加剂CeN为籽晶，得到粒度均匀、纯度高的氮化铈粉体；通过加入特定烧结助剂NH₄Cl、NH₄F、无水CeCl₃和调节烧结工艺，可以在较低的温度下，烧结出纯度高、无团聚的氮化铈粉体；本发明对设备要求相对较低，反应压力低，安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的氮化铈粉体的X射线衍射图。

图2是本发明对比例1所制备的氮化铈粉体的X射线衍射图。

图3是本发明实施例1所制备的氮化铈粉体的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

首先在无氧环境中把Ce粉与无水乙醇按照固液比1g∶5ml混合装在2L容器里，然后在球磨机(参数设置为11Hz)上混合6h，自然干燥后待用；称取上述待用的Ce粉100g，并称取5g NH₄Cl粉末，10g NH₄F粉末，7g无水CeCl₃粉末作为助剂，称取3g CeN粉末为添加剂；将称取的Ce粉和NH₄Cl粉末、NH₄F粉末置于刚玉研钵中混合均匀，混料时间不少于0.5h，整个混合过程需在惰性气体环境中进行。将混合好的原料平铺于钼坩埚中，并将坩埚放入烧结炉中。在烧结炉中通入H₂作为反应气氛，以10℃/min的升温速率升至400℃，流量控制在1L/min于400℃下进行保温，保温时长为3h，再以5℃/min的降温速率降至200℃，再自然降至室温，得到一次烧结产物。

将一次烧结产物取出，经研磨后过100目筛，然后加入之前称取的CeN粉末和无水CeCl₃粉末，在刚玉研钵中混合均匀，混料时间不少于0.3h，整个混合过程需在惰性气体环境中进行。将混合好的物料平铺于钼坩埚中，放入烧结炉进行第二次烧结，反应气氛为N₂和NH₃的混合气，并且体积比N₂∶NH₃＝2∶1；以10℃/min的升温速率升温至950℃，流量控制在1.5L/min，在950℃下进行保温，保温时长为6h。再以5℃/min的降温速率降至200℃，再自然降至室温，得到二次烧结产物。将二次烧结产物取出，经研磨后过100目筛，即得高纯氮化铈粉体。

所制备的成品氮化铈的N含量为9.05％，粒径3.1μm，其X射线衍射图如图1所示，由检测结果可看出样品中氮化铈成分比较单一，没有发现氧化铈或其它氮化铈结构。其扫描电镜测试结果如图3所示。

对比例1

其工艺条件均和实施例1相同，不同之处是所用的原料金属Ce粉未经过液相球磨处理工序。所制备的成品氮化铈的N含量为6.98％，粒径为5.3μm，其X射线衍射图如图2所示，产物里面含有较多的氧化铈杂相。

对比例2

其工艺条件均和实施例1相同，不同之处是没有添加助剂C，即无水CeCl3。所制备的成品氮化铈的氮含量为7.12％，粒径为3.3μm。

实施例2-30

改变助剂和添加剂的配比，或改变烧结条件，其他工艺参数均与实施例1相同，所得结果见表1。

表1：

由表1可以看出氮化铈的纯度对烧结工艺的要求比较精细，其中，金属Ce粉的预处理、添加剂CeN粉、助剂无水CeCl₃的加入极大的提高了最终产品的纯度，最终结果均优于对比例。