CN101259957B - 一种低温制备氮化硅粉体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温制备氮化硅粉体材料的方法，本发明以叠氮钠作氮源，以卤硅烷作硅源，在反应釜中加热到250～550℃，使反应物之间发生反应，反应0～5小时后停止加热，自然冷却，然后依次用乙醚、去离子水清洗，以除去残余反应物及反应副产物，然后在60～80℃下烘干3～8小时，得到灰色或黑色粉末，即为氮化硅，再将粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到较纯的氮化硅粉体。本发明所得的产品化学稳定性好，产率高，粉体的尺寸在50～200nm之间，具有反应温度低、反应时间短、能耗小、产率高、反应易控制等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温制备氮化硅粉体材料的方法，属于无机非金属粉体材料制备方法技术领域。
背景技术
氮化硅材料因具有良好的力学性能、高的化学稳定性、较低的密度以及优异的高温性能，抗热冲击，抗蠕变，在许多领域都有应用，如高接触应力条件下的滑动、滚动轴承，磨球，高温、化学腐蚀条件下工作的结构陶瓷，高效研磨材料，耐火材料等。
制备Si3N4粉体材料的已有方法包括：在1200～1450℃的温度范围内硅与氮气进行反应制备Si3N4；在1200～1450℃的温度范围二氧化硅在氨气或氮气中进行碳热还原反应制备Si3N4；SiS2与氨气在1200～1450℃以上进行反应制备Si3N4；SiCl4或SiH4与NH3在500～900℃的温度范围进行反应制备Si3N4；有机物在1150～1400℃高温热分解制备Si3N4；高温自蔓延合成Si3N4；在670℃以上溶剂热合成Si3N4；二氧化硅与氨基钠在700℃以上反应制备Si3N4；Mg2Si与氯化铵在450～600℃反应制备Si3N4。通过这些方法制备Si3N4一般都是在高温条件下进行，能耗大，反应时间较长，生产效率低。通过SiCl4与NaN3之间的反应虽然可以在200～400℃的低温下制备Si3N4，但由于SiCl4沸点低(57.6℃)，挥发性强，反应不易控制，因此探索低温制备Si3N4的新技术对于扩大Si3N4的应用具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种通过有机-无机反应法低温制备氮化硅粉体材料的方法，该方法能耗低、反应时间短、生产效率高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低温制备氮化硅粉体材料的方法，步骤如下：
(1)按叠氮钠中钠原子与卤硅烷中卤素原子的原子比1∶1～1.5∶1进行配料，装入反应釜中，封紧反应釜，将反应釜在加热炉中加热到250～550℃，使反应物之间发生反应，反应1～5小时后停止加热，自然冷却至室温；
(2)用乙醚反复清洗、抽滤反应产物，以除去残余卤硅烷，至滤液为无色为止；
(3)再用去离子水清洗反应产物，除去反应副产物卤化钠，至滤液呈中性；
(4)将反应产物在60～80℃温度下烘干3～8小时，得到灰色或黑色粉末；
(5)将上述粉术在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到Si3N4粉体。
所述步骤(1)中的卤硅烷通式为RnSiX4-n，其中R为烷基或芳香基，X为卤素，n＝1、2、3，如甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基一氯硅烷、三氯乙烯硅烷、三氯乙基硅烷、乙基二氯硅烷、二乙基二氯硅烷、三乙基氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷、三苯基一氯硅烷、三甲基溴硅烷、三甲基碘硅烷。
本发明以有机物卤硅烷作硅源，以无机物叠氮钠作氮源，在250～550℃的低温下制备Si3N4粉体材料，所得的产品化学稳定性好，产率不低于70％，粉体的尺寸在50～200nm之间。本发明具有反应温度低、反应时间短、能耗小、产率高、反应易控制等优点。
附图说明
图1为实施例4制得的Si3N4粉体的X-射线粉末衍射图；
图2为实施例4制得的Si3N4粉体的透射电镜形貌图；
图3为实施例8制得的Si3N4粉体的透射电镜形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：通过CH3SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5g NaN3，用移液管量取4.32m1CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到550℃，保温5小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃下烘干5小时后，得到灰黑色粉末1.7g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
实施例2：通过CH2SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5gNaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到400℃，到400℃后保温5小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干8小时后，得到灰白色粉末1.4g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
实施例3：通过CH3SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5g NaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到300℃，到300℃后保温5小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在70℃烘干5小时后，得到灰黑色粉末1.6g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
实施例4：通过CH3SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5g NaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到250℃，到250℃后保温5小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在80℃烘干3小时后，得到灰色粉末1.9g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
图1为本实施例制得的Si3N4粉体的X-射线粉末衍射图，图中可以看到粉体是由α-Si3N4和β-Si3N4组成。图2为本实施例制得的Si3N4粉体的透射电镜形貌图，图中可以看到，粉体主要包含短棒状的形态和颗粒状形态。
实施例5：通过CH3SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5g NaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到550℃，到550℃后保温1小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干5小时后，得到灰色粉末1.3g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
实施例6：通过CH3SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5gNaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到250℃，到250℃后保温2小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干5小时后，得到灰黑色粉末2.5g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
实施例7：通过CH3SiCl3与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取7.5g NaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到550℃，到550℃后停止加热；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干5小时后，得到灰色粉末1.5g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
实施例8：通过(CH3)3SiCl与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取3.8gNaN3，用移液管量取6ml(CH3)3SiCl，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到550℃，到550℃后保温1小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干5小时后，得到灰色粉末2.2g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
图3为本实施例制得的Si3N4粉体的透射电镜形貌图，图中可以看到，粉体主要由球形颗粒组成。
实施例9：通过(CH3)2SiCl2与NaN3之间的化学反应制备Si3N4粉体：在无水无氧手套箱中，用天平称取5g NaN3，用移液管量取4.5ml(CH3)2SiCl2，移入30ml反应釜中；封釜后，将反应釜在加热炉中加热到250℃，到250℃后保温2小时；反应产物经无水乙醚清洗至滤液无色，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在60℃烘干5小时后，得到灰白色粉末1.6g。粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉体。
Claims (2)
1.一种低温制备氮化硅粉体材料的方法，其特征在于：步骤如下：
(1)按叠氮钠中钠原子与卤硅烷中卤素原子的原子比1∶1～1.5∶1进行配料，装入反应釜中，封紧反应釜，将反应釜在加热炉中加热到250～550℃，使反应物之间发生反应，反应1～5小时后停止加热，自然冷却至室温；
(2)用乙醚反复清洗、抽滤反应产物，除去残余卤硅烷，至滤液为无色为止；
(3)再用去离子水清洗反应产物，除去反应副产物卤化钠，至滤液呈中性；
(4)将反应产物在60～80℃温度下烘干3～8小时，得到灰色或黑色粉末；
(5)将上述粉末在空气中加热到750～800℃，氧化除碳，即得到Si3N4粉体。
2.根据权利要求1所述的一种低温制备氮化硅粉体材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的卤硅烷通式为RnSiX4-n，其中R为烷基或芳香基，X为卤素，n＝1、2、3。
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