一种氮化硅镁粉体的制备方法与流程

本发明属于无机非金属粉体材料制备技术领域，特别涉及一种氮化硅镁粉体的制备方法。

背景技术：

氮化硅镁具有抗氧化性高、电子阻抗高、断裂韧度高、应力强度高、硬度高等优异性能，在高速电路、大功率器件散热、封装材料等方面具有潜在应用价值，有望成为代替氮化铝的新一代高热导基片材料，还可用作封装材料和高热导非氧化物陶瓷的烧结助剂等。氮化硅镁的氧含量决定它的热阻值，氧含量越低，热阻值越高；由此，制备低氧含量的氮化硅镁是其应用的重点。但现存的高温氮化法制备氮化硅镁体系的生产周期长、能耗高、产物中易出现残余硅，因此，探索一种绿色、安全的制备高质量氮化硅镁粉体的工艺是一项亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种氮化硅镁粉体的制备方法，具体技术方案如下：

一种氮化硅镁粉体的制备方法为，以硅源、镁源为原料，以尿素和/或乙醇为添加剂，在氮气气氛中进行燃烧合成反应，制得氮化硅镁粉体；

所述硅源为硅粉、α-氮化硅粉中的一种或两种；

所述镁源为镁粉、氮化镁粉中的一种或两种。

所述硅源、镁源经混合、真空干燥、筛分后得到混合粉体，将尿素和/或乙醇添加至混合粉体中均匀混合，在0.5-10mpa氮气气氛中进行燃烧合成反应，反应结束后制得氮化硅镁粉体。

所述镁粉的纯度＞99wt％，粒度100-200目；

所述氮化镁粉的纯度＞99wt％，粒度100-200目；

所述硅粉的纯度＞95wt％，粒度100-200目；

所述α-氮化硅粉的纯度＞95wt％，粒度100-200目；

所述镁源质量为镁源与硅源质量之和的20-80％。

所述硅源、镁源的混合为：以无水乙醇为介质，以氮化硅球或玛瑙球为球磨介质，在行星式球磨机或者滚动式球磨机中球磨1-4小时；所述真空干燥的温度为80℃；所述筛分的目数为50-200目。

所述尿素和/或乙醇与混合粉体的均匀混合为：以氮化硅球或玛瑙球为研磨介质，在滚动式球磨机或高速混料机中进行，混合时间为30s-5min；

或将尿素和/或乙醇均匀喷洒于混合粉体中。

所述尿素和/或乙醇以连续或分次的方式加入混合粉体中，所述尿素和/或乙醇加入量为混合粉体质量的0.5％-20％。

所述硅源、镁源的混合、尿素和/或乙醇与混合粉体的均匀混合温度为0-20℃。

所述的制备方法包括以下步骤：

(1)将硅源、镁源均匀混合后，经真空干燥、筛分，得到混合粉体，以保证后续的松装布料；

(2)将尿素和/或乙醇添加至步骤(1)所得混合粉体中均匀混合，并布料于多孔石墨坩埚或石墨舟中，并置于燃烧合成反应装置内，抽真空后，充入0.5-10mpa氮气，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；反应结束后，释放装置内压力，通循环水冷却，制得氮化硅镁粉体。

所述布料方式优选为松装布料。

所述制备方法制得的氮化硅镁粉体平均粒度1-50um，杂质含量＜1wt％，氧含量＜1wt％；相含量根据添加剂尿素和/或乙醇的含量可调控。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的通过尿素和/或乙醇辅助燃烧合成法制备高纯度氮化硅镁粉体的方法，克服了以往直接氮化法制备氮化硅镁工艺存在的生产周期长、能耗高、产物中易出现残余硅等问题；具有设备简单、生产效率高、合成反应迅速、能耗低的优点；

(2)本发明选择乙醇为添加剂合成高纯度氮化硅镁粉体方法的优势在于：乙醇在高温下挥发为气体，可以有效降低物料堆积密度，有利于获得杂质含量低松散的氮化硅镁粉体。乙醇在高温下挥发，在n2还原性气氛中，分解为高活性的c和h2o；在乙醇喷加量较低时，活性c可以还原原料中的o，产生co。最终，活性c、co和h2o基本排除到体系之外，因此体系中的c、o含量维持在较低的水平，并且氧含量随乙醇添加剂比例的增加略有降低；

(3)本发明在混料环节加入无水乙醇，避免了备料环节中粉尘的产生，对环境、操作人员的身体健康起到了明显的保护作用；

(4)本发明提供的制备工艺不使用任何额外添加剂，无有毒物质产生，对环境保护、生产安全十分有利；具有无污染、无毒害、低耗能的优点；

(5)本发明除引发反应过程需要少量能源外，整个合成过程全部依靠反应放热来维持和实现，无需外加能源；

(6)利用本发明制备方法制得的产物氮化硅镁粉体结晶性良好、形貌均一，且相含量可控、无其他杂质相、纯度高、杂质总含量＜1wt％，无需酸洗、提纯等后处理步骤，仅需将产物破碎至所需粒度。

附图说明

附图1为实施例1制备的氮化硅镁粉体产物的xrd分析图谱；

附图2为实施例2制备的氮化硅镁粉体产物的xrd分析图谱；

附图3为实施例3制备的氮化硅镁粉体产物的xrd分析图谱；

附图4为实施例5制备的氮化硅镁粉体产物的xrd分析图谱；

具体实施方式

本发明提供了一种氮化硅镁粉体的制备方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)将200目氮化镁粉、200目硅粉按照质量比20％：80％配料，然后与质量为原料粉末质量0.8倍的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量0.5％的尿素连续加入所述混合粉体中，在滚动式球磨机中均匀混合2min，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行xrd检测，如图1所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜1wt％；对产物进行xrf检测，氧含量＜1wt％。

实施例2

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)按照重量比称取原料，200目氮化镁粉为50％，200目硅粉为50％；与质量为原料粉末质量1.0倍的无水乙醇混合后，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量10％的尿素连续加入所述混合粉体中，在滚动式球磨机中均匀混合4min，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um。将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％。对产物进行xrd检测，如图2所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为95％，杂质总量＜1wt％；对产物进行xrf检测，氧含量＜1wt％。

实施例3

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)按照重量比称取原料，200目氮化镁粉为80％，200目硅粉为20％，与质量为原料粉末质量1.2倍的无水乙醇混合后，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量20％的尿素分次加入所述混合粉体中，在滚动式球磨机中均匀混合50s，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um。将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％。对产物进行xrd检测，如图3所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为60％，杂质总量＜1wt％；对产物进行xrf检测，氧含量＜1wt％。

实施例4

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比20％：10％：70％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量0.5％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行xrd检测，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行xrf检测，氧含量为0.4wt％。

实施例5

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比30％：10％：60％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量0.5％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行xrd检测，如图4所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为85％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行xrf检测，氧含量为0.4wt％。

实施例6

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比30％：10％：60％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量5％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行xrd检测，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行xrf检测，氧含量为0.2wt％。

实施例7

按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：

(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比30％：10％：60％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；

(2)将步骤(1)所得混合粉体质量20％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1mpa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。

上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为90％；对产物进行xrd检测，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行xrf检测，氧含量为0.5wt％。