一种简单控制相变制备β‑氮化硅晶须的方法与流程

本发明涉及氮化硅陶瓷领域，具体公开了一种β-氮化硅晶须的制备方法。

背景技术：

氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，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℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。

氮化硅晶粒有α型和β型，β-氮化硅材料具有高强度、高弹性模量、低热膨胀率，以及优良的耐热性、电绝缘性、化学稳定性等特性。β型比α型在高温条件下硬度更大、稳定性更高。用作高温陶瓷复合材料和特殊金属复合材料，亦可作绝热材料使用。而且β-氮化硅晶须可以用来增韧氮化硅陶瓷材料，提高其机械性能，扩大陶瓷材料的应用领域。

本发明提供一种烧结过程中控制相变速率的方法制备β-氮化硅晶须，该过程中可以通过调节烧结温度、保温时间以及氮气压力的方式，来达到烧结高温过程中控制相变(α→β)的目的。但是通过控制氮气负压的方法来实现控制α相到β相的相变，到目前为止，尚未见文献报道，因为不恰当的氮气压力往往会导致氮化硅分解，使β-氮化硅晶须难以制备成功。

技术实现要素：

本发明提供了一种在高温阶段控制氮化硅的相变速率制备β-氮化硅晶须的方法，该方法操作简单，制备的β-氮化硅晶须产量高、纯度高的。

本发明采用的技术方案为：一种控制相变制备β-氮化硅晶须的方法，利用α相氮化硅在高温下能发生相变，转变为β相氮化硅的原理，通过控制高温阶段氮气压力来影响这一相变过程，以制备出β-氮化硅晶须。

以普通的氮化硅粉体温原料，以为re2o3为烧结助剂，经混料—球磨—干燥后得混合粉体：其中re为稀土元素，re＝la,ce,pr,nd,pm,sm,eu,gd,tb,dy,ho,er,tm,yb,lu等；将混合粉体放入坩埚中，在氮气气氛保护下，升温烧结制备β-氮化硅晶须。

所述原始氮化硅粉体的质量分数为90％-99％，加入re2o3的质量分数为0-10％，得混合粉体。

所述原始氮化硅纯度为99.9％以上，粒径约为200nm；re2o3的纯度大于99％，粒径大于100nm。

所述烧结助剂re2o3按质量分数比进行配料，放入无水乙醇溶剂中，经机械搅拌10-30min后，加入氮化硅原始粉体中，使烧结助剂在原始粉体种分散。

所述混合粉体以无水乙醇为溶剂，以氮化硅球为介质，在辊式球磨机上混合球磨10-30h,经干燥、造粒后得混合粉体。

其中，该发明制备β-氮化硅晶须的方式是气氛烧结，在氮气气氛、负压条件下，升温烧结粉体。

所述混合粉体置于氮化硼坩埚中，放入气氛保护烧结炉的炉腔中，以5-15℃/min的升温速率至1500℃-1800℃，保温0.5-5h。

升温烧结过程中保护气氛为氮气，纯度为99.99％，升温至1200℃-1800℃温度区间，氮气压力控制在30kpa-100kpa范围内。

待冷却至室温后，取出坩埚，得到β-氮化硅晶须粉体，用氢氟酸水浴60℃-80℃，腐蚀5-20h,即可得高度分散的β-氮化硅晶须。

附图说明

图1本发明所用的原始α相氮化硅粉体sem图

图2本发明实施例1所制备的β-氮化硅晶须sem图

图3本发明实施例2所制备长β-氮化硅晶须sem图

具体实施方式

本发明通过控制烧结过程中的氮气压力对高温时氮化硅相变的影响来制备β-氮化硅晶须。虽然烧结过程中的温度、保温时间都对氮化硅的α～β相变有很大影响，但本发明发现氮气压力也能影响氮化硅相变速率，并且发现了生成β-氮化硅晶须所需合适的氮气压力，且未见文献报道。

以普通的氮化硅粉体温原料，以为re2o3为烧结助剂，经混料—球磨—干燥后得混合粉体：其中re为稀土元素，re＝la,ce,pr,nd,pm,sm,eu,gd,tb,dy,ho,er,tm,yb,lu等，将混合粉体放入坩埚中，在氮气气氛保护下，升温烧结制备超长β-氮化硅晶须。

氮化硅粉体的质量分数为90％-99％，加入re2o3的质量分数为0-10％，得混合粉体。

氮化硅纯度为99.9％以上，粒径约为200nm；re2o3的纯度大于99％，粒径大于100nm。

烧结助剂re2o3按质量分数比进行配料，放入无水乙醇溶剂中，经机械搅拌10-30min后，加入氮化硅原始粉体中，使烧结助剂在原始粉体种分散。

混合粉体以无水乙醇为溶剂，以氮化硅球为介质，在辊式球磨机上混合球磨10-30h,经干燥、造粒后得混合粉体。

该发明制备β-氮化硅晶须的方式是气氛烧结，在氮气气氛、负压条件下，升温烧结粉体。

混合粉体置于氮化硼坩埚中，放入气氛保护烧结炉的炉腔中，以5-15℃/min的升温速率至1500℃-1800℃，保温0.5-5h。

升温烧结过程中保护气氛为氮气，纯度为99.99％，升温至1200℃-1800℃温度区间，氮气压力控制在30kpa-100kpa范围内。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但绝非限制本发明，本发明也绝非仅限制于下述实施例的内容。

实施例1

按氮化硅质量分数97％，烧结助剂yb2o3质量分数3％，进行配料得混合粉体后，1800℃气氛烧结，保温2h，氮气压力90kpa，制备β-氮化硅晶须。晶须形貌如图2所示。

实施例2

按氮化硅质量分数99％，烧结助剂y2o3质量分数1％，进行配料得混合粉体后，1700℃气氛烧结，保温1h，氮气压力60kpa，制备β-氮化硅晶须。晶须形貌如图3所示。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种制备β‑氮化硅晶须的方法，由α相的氮化硅粉体在气氛炉中充入氮气高温下通过控制氮化硅相变(α→β)烧结制备β‑氮化硅晶须。原始的α相氮化硅粉体在烧结炉的氮气气氛中升温至1500℃‑1800℃，保温0.5‑5h,可制备出一种长约10‑20微米、长径比大于15的高纯β‑氮化硅晶须。该发明的关键技术在于烧结过程中通过控制高温阶段α相氮化硅粉的相变速率制备高纯β‑氮化硅晶须。本发明方法制备的β‑氮化硅晶须具有转化率高、产物纯度高、制备设备简单、可批量生产的优势。

技术研发人员：熊浩;奚修安;于俊杰;郭伟明;林华泰
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2017.04.27
技术公布日：2017.09.15