α相氮化硅粉体的制备方法与流程

本发明属于陶瓷粉体制备，具体涉及α相氮化硅粉体的制备方法。

背景技术：

1、氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、抗化学腐蚀、自润滑等优异性能。可以用来制造高端装备的关键部件，广泛应用于钢铁、电力、化工、有色金属冶炼铸造、高铁、航空航天、军事等领域。制造氮化硅陶瓷的主要原料是高α相氮化硅粉体（α相氮化硅含量≥93%以上）。氮化硅粉体在自然界不存在，必须经过人工合成。氮化硅粉体的合成方法主要有气相合成、液相合成和固相合成。目前国际最常用的氮化硅粉体合成方法是采用金属硅粉氮化工艺制备。金属硅粉氮化合成氮化硅粉体有两种做法，一是燃烧合成，这种工艺反应速度快、成本低，但是很难制造高α相氮化硅，而是以β氮化硅为主，另一种是反应合成，是把金属硅粉装入窑炉内充入氮气，慢慢反应。有的需要20天左右才能反应完全，效率低下，成本高。

2、目前的氮化硅粉体主要以直接氮化法为主，指硅粉在n2，n2+h2或nh3等气氛中，在温度为1200-1850℃下发生化学反应，生成氮化硅粉体。此方法主要优点是工艺流程比较简单，但是该法目前仍存在许多问题，例如，如何控制金属硅与氮气的反应速度，如何保证硅粉氮化率，如何有效利用金属硅与氮气放出的热量避免局部过热产生“流硅现象”等，因此需要提供一种新方法来解决这些问题。

3、对于氮化硅粉体的合成，已经有不少专利进行了报道，但是同样存在着一定的问题。如中国发明专利申请公开号cn101983947a公开了一种催化氮化合成高α相氮化硅粉体的新方法，该法选择fecl3•6h2o为催化剂，si3n4为稀释剂，氮气气氛条件下，在1350-1450℃下催化氮化工业si粉，虽然制得纯度为99.4%-99.8%、α相氮化硅含量为92%-95%的氮化硅粉体，但是反应中需要催化剂来提高反应速度，需要加入稀释剂si3n4来减缓反应速度，这样既增加了生产成本，又降低了产品的净产率。中国发明专利申请公开号cn101269803a，提出了一种高α-si3n4相氮化硅制备方法，通过控制温度和氮气压力：1000℃前，气压控制在5~30kpa；1000-1200℃，气压控制在10-30kpa；1200-1350℃，气压控制在20~80kpa，进而获得高a相的氮化硅粉体。但是由于硅粉是颗粒度连续粉体，反应温度也是连续，以及硅粉氮化工艺是放热反应，导致反应是连续的，很难解决由于放热反应随反应进行，越来越快，控制难度加大的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种α相氮化硅粉体的制备方法，能耗低，反应更加充分，反应过程易控，得到的粉体质量好，α相氮化硅含量高。

2、本发明所述的α相氮化硅粉体的制备方法，包括如下步骤：

3、（1）筛分：将粒度d50=2-5μm的硅粉经过筛分处理得到粒度分别为＜500nm、500nm-1.5μm、1.5-5μm、5-10μm、10-40μm、＞40μm的六组硅粉；取粒度＜500nm、1.5-5μm和10-40μm的三组硅粉混合作为混合粉体i；取粒度500nm-1.5μm、5-10μm和＞40μm的硅粉混合作为混合粉体ii；

4、（2）配料：将混合粉体i或混合粉体ii与氮化硅粉进行混合，得到混合料；

5、（3）装料：将混合料装入炉膛中，抽真空后通入保护气体；

6、（4）烧制：升温氮气或氮氢混合气体的气氛条件下进行烧制，即得。

7、优选的，步骤（3）中，抽真空至真空度为（1-2）×10-2pa。

8、优选的，步骤（3）中，保护气体为氮气或氮氢混合气体。

9、优选的，步骤（3）中，通入保护气体至压力达到0.1-0.15mpa。

10、优选的，步骤（3）中，混合料先装入匣钵中，然后匣钵装入炉膛中，混合料在匣钵中的厚度为3-10cm。

11、优选的，步骤（4）的具体步骤为：以3-5℃/min的升温速率由室温升至气压开始降低，即开始第一段反应，此时温度为t1，停止加热，保温4-12h至氮气不再反应，即表现为气压不再降低；然后加热升温至气压开始降低，即开始第二段反应，此时温度为t2，停止加热，保温4-12h至氮气不再反应，即表现为气压不再降低；再加热升温至气压开始降低，即开始第三段反应，此时温度为t3，停止加热，保温4-12h至氮气不再反应，即表现为气压不再降低；再加热升温至气压开始降低，即游离硅开始反应，此时温度为t4，停止加热，保温4-12h至氮气不再反应，即表现为气压不再降低。

12、优选的，t1=950-980℃，t2=1020-1100℃，t3=1140-1200℃，t4=1250-1300℃。

13、优选的，步骤（4）中，烧制过程通过通入/停止通入保护气体将气体压力始终维持在0.1-0.15mpa。

14、优选的，氮氢混合气体中氮气和氢气的体积之比为100:5。

15、优选的，氮气的纯度≥99%。

16、优选的，硅粉和氮化硅粉纯度均≥99%。

17、优选的，氮化硅粉是由原料氮化硅粉进行颗粒分级后得到的，粒度为10-40μm。

18、优选的，以占混合料的质量分数计，混合硅粉i或混合硅粉ii为90%，氮化硅粉为10%。

19、本发明认为把粒度连续的硅粉按粒度范围分组，然后取粒度不连续的几组混合反应，某组反应时，即使是放热反应，粒度更大的非相邻组也不会参与反应，即第一组反应时第三组、第五组均不参与反应，而第三组反应时，第五组不参与反应；每组反应时生成的氮化硅均可作为下一组反应的稀释剂，同时不参与反应的硅粉也可作为稀释剂，稀释剂的量≥50%以上，反应放热受到控制，便于反应过程的控制，并且节能。

20、本发明粒度＜500nm和500nm-1.5μm的两组硅粉的氮化反应温度在950-980℃；粒度在1.5-5μm和5-10μm的两组硅粉的氮化反应温度在1020-1100℃；粒度在10-40μm和＞40μm的两组硅粉的氮化反应温度在1140-1200℃。为防止游离硅过高又增加了温度为1250-1300℃的反应过程，并充分保温。

21、本发明严格控制反应温度，当使用混合粉体i进行反应时，使粒度＜500nm的硅粉、粒度1.5-5μm的硅粉和粒度10-40μm的硅粉分别依次在第一段、第二段和第三段反应，当粒度＜500nm的硅粉在反应时，粒度1.5-5μm以及粒度10-40μm的硅粉不参与反应，而是作为反应稀释剂；第一段反应完成后得到氮化硅以及未参与反应的粒度10-40μm的硅粉在第二段反应时也成为稀释剂；第二段反应完成后得到的氮化硅以及第一段反应得到的氮化硅也成为了稀释剂，便于第三段合成进行。

22、同理，当使用混合粉体ii进行反应时，使粒度500nm-1.5μm的硅粉、粒度5-10μm的硅粉和粒度＞40μm的硅粉分别依次在第一段、第二段和第三段反应，当粒度500nm-1.5μm的硅粉在反应时，粒度5-10μm以及粒度＞40μm的硅粉不参与反应，而是作为反应稀释剂；第一段反应完成后得到氮化硅以及未参与反应的粒度＞40μm的硅粉在第二段反应时也成为稀释剂；第二段反应完成后得到的氮化硅以及第一段反应得到的氮化硅也成为了稀释剂，便于第三段合成进行。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、1、现有氮化硅制备中需要加入大量氮化硅作为稀释剂，而这部分氮化硅不参与反应却仍然消耗热量，造成了能源的浪费，本发明避免了这一问题，降低了能耗；

25、2、本发明反应过程不连续、可控，产品质量好，粉体中α相氮化硅含量高。