氮化硅晶须的制备方法与流程

本发明属于氮化硅制备技术领域，具体涉及一种氮化硅晶须的制备方法。

背景技术：

晶须是在人工控制条件下合成的一种高强度胡须状的单晶体，其晶体结构比较完整，内部缺陷少，其强度和模量均接近理想晶体。因此，晶须长作为增强组元加入到金属基、陶瓷基和高分子基中起增强、增韧作用。

氮化硅晶须具有耐高温、高强度、高模量、低膨胀和良好的化学稳定性，是金属、陶瓷、高分子材料的重要增强组元。现有的氮化硅晶须制备方法主要包括固相法和气相法两大类。典型的固相法主要是氮化法、自蔓延法、碳热还原法，这类方法制备的氮化硅晶须产率低，晶须中伴有大量的氮化硅颗粒。典型的气相法主要是化学气相沉积法、卤化硅气相氨解法，这类制备方法涉及复杂的传递和反应过程，设备复杂、工艺稳定性差，难以量产。

技术实现要素：

本发明提出一种氮化硅晶须的制备方法，该制备方法获得的氮化硅晶须具有晶须纯度高、形貌一致性好、产品质量稳定等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种氮化硅晶须的制备方法，包括以下步骤：

1)在-50℃～50℃条件下，将有机溶剂与液氨依次混合，形成有机溶剂在下液氨在上的两相溶液；

2)将二氯硅烷注入有机溶剂层，搅拌将二氯硅烷扩散至有机溶剂-液氨界面，进行氨解，过滤得到氨解前驱物；

3)在惰性气体、氨气或者两者的混合气体中，将氨解前驱物进行热解，热解温度为1300～1500℃，即可获得氮化硅晶须；

其中，所述有机溶剂为能够溶解二氯硅烷的有机溶剂。

优选地，所述有机溶剂为甲苯、正己烷或者二氯甲烷，优选为二氯甲烷。

优选地，所述步骤2)的氨解时间为30～180min；所述惰性气体为氮气、氦气、氖气或者氩气，优选为氮气。

优选地，所述步骤3)的热解时间为30～240min，所述惰性气体、氨气或者两者的混合气体的压力为0.1～0.5mpa。

优选地，获得的氮化硅晶须的直径0.1～5微米，长度10～3000微米。

本发明采用二氯硅烷为原料进行氨解获得稳定的氮化硅晶须是基于以下考虑：

二氯硅烷具有左右对称结构，发生氨解反应时已生成氨基左右对称的“手拉手”型氨解前驱体，该前驱体热解时发生缩聚，相邻的前驱物中的氨基形成链接，从而倾向于生产长纤维状的晶须结构。另外，热解时的活性氮气环境是一个有助于氮化物生长的传热、传质环境，也有助于氨基的链接并最终促成氮化硅纤维的生长。

本发明的有益效果：

本发明的二氯硅烷在液氨界面的反应控制过程，使杂质c、cl充分分离，保证了晶须的高纯度。氨解前驱体在惰性气体/氨气氛下的可控热解，使前驱体中的氨解发生对称的热解交联，保证了氮化硅晶须的形貌一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3的氮化硅晶须的透射电镜图；

图2为本发明实施例3的xrd图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

氮化硅晶须的制备方法，包括如下步骤：

1)将2000克甲苯和3000克液态氨依次注入反应釜，在50℃的温度下形成甲苯在下、液氨在上的两相溶液；

2)将500克二氯硅烷注入甲苯层，通过搅拌将二氯甲烷扩散至甲苯-液氨界面，发生氨解反应生成氨解前驱物，该过程维持100min；

3)将氨解前驱物过滤，然后在压力0.1mpa的氮气中热解，热解温度1450℃，保温时间180min，生成氮化硅晶须；

本实施例中的氮化硅晶须平均直径0.3微米，平均长度1500微米，杂质c含量0.15％，cl含量30ppm。

实施例2

氮化硅晶须的制备方法，包括如下步骤：

1)将1000克正己烷和5000克液态氨依次注入反应釜，在0℃的温度下形成甲苯在下、液氨在上的两相溶液；

2)将400克二氯硅烷注入甲苯层，通过搅拌将二氯甲烷扩散至甲苯-液氨界面，发生氨解反应生成氨解前驱物，该过程维持180min；

3)将氨解前驱物过滤，然后在压力0.2mpa的氮气中热解，热解温度1400℃，保温时间200min，生成氮化硅晶须；

本实施例中的氮化硅晶须平均直径0.2微米，平均长度800微米，杂质c含量0.12％，cl含量36ppm。

实施例3

氮化硅晶须的制备方法，包括如下步骤：

1)将800克二氯甲烷和4000克液态氨依次注入反应釜，在-50℃的温度下形成甲苯在下、液氨在上的两相溶液；

2)将300克二氯硅烷注入甲苯层，通过搅拌将二氯甲烷扩散至甲苯-液氨界面，发生氨解反应生成氨解前驱物，该过程维持180min；

3)将氨解前驱物过滤，然后在氮气0.45mpa、氨气0.05mpa的混合气体中热解，热解温度1450℃，保温时间240min，生成氮化硅晶须；

本实施例中的氮化硅晶须平均直径3微米，平均长度3000微米，杂质c含量0.11％，cl含量22ppm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提出了一种氮化硅晶须的制备方法，包括以下步骤：1)在‑50℃～50℃条件下，将有机溶剂与液氨依次混合，形成有机溶剂在下液氨在上的两相溶液；2)将二氯硅烷注入有机溶剂层，搅拌将二氯硅烷扩散至有机溶剂‑液氨界面，进行氨解，过滤得到氨解前驱物；3)在惰性气体、氨气或者两者的混合气体中，将氨解前驱物进行热解，热解温度为1300～1500℃，即可获得氮化硅晶须；其中，所述有机溶剂为能够溶解二氯硅烷的有机溶剂。该制备方法获得的氮化硅晶须具有晶须纯度高、形貌一致性好、产品质量稳定等优点。

技术研发人员：韩召;刘在翔
受保护的技术使用者：青岛桥海陶瓷新材料科技有限公司
技术研发日：2017.08.28
技术公布日：2018.01.09