CN102219194A

CN102219194A - 低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法

Info

Publication number: CN102219194A
Application number: CN2011101258888A
Authority: CN
Inventors: 王福; 杨连弟; 王京甫; 徐锦标; 郭金砚; 邹艺峰; 刘得顺
Original assignee: Tangshan High Tech Research And Transformation Center Chinese Academy Of Sciences
Current assignee: Tangshan High Tech Research And Transformation Center Chinese Academy Of Sciences
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明公开了一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其以硅粉或硅铁粉为原料，该方法的工艺步骤为：A、按下述重量百分比配制反应料：硅粉或硅铁粉45～79%，稀释剂20～50%，添加剂1～5%；B、将上述配制后的反应料混合后，在振动球磨机中活化；C、活化后的反应料松装于碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入点火料；D、将装有反应料的容器置于低压容器中；抽真空、通入低压氮气，原料预热温度为300～1000℃，控制氮气压力0.01～1MPa；引燃反应剂，实现低压燃烧合成；E、将燃烧合成后的产品冷却后，用研磨机制成粉末即得氮化硅或氮化硅铁粉体。

Description

低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法

技术领域

本发明涉及一种无机非金属材料的制备方法，尤其是一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法。

背景技术

氮化硅或氮化硅铁主要通过硅粉或硅铁粉和氮气直接反应来合成，该反应为强放热反应，非常适合采用燃烧合成工艺来制备。因此自燃烧合成技术被前苏联科学家发现可以用来合成Si₃N₄以来，美日等许多国家逐渐展开了燃烧合成氮化物的研究工作。但以上技术都是在较高的氮气压力下进行生产，目前报道的最低氮气压力也在3MPa以上，由于高压容器很难大型化，限制了该技术的规模化生产，导致生产的粉体价格昂贵。为了实现燃烧合成工艺合成氮化物粉体的规模化生产，充分发挥燃烧合成工艺能耗低及生产效率高的优势，降低燃烧合成氮化物粉体的氮气压力成为关键所在。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可规模化生产的低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法。

为解决上述技术问题，本发明以硅粉或硅铁粉为原料，其工艺步骤为：

A、按下述重量百分比配制反应料：硅粉或硅铁粉45～79%，稀释剂20～50%，添加剂1～5%；

B、将上述配制后的反应料混合后，在振动球磨机中活化；

C、活化后的反应料松装于碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入点火料；

D、将装有反应料的容器置于低压容器中；抽真空、通入低压氮气，原料预热温度为300～1000℃，控制氮气压力0.01～1.0MPa；引燃反应剂，实现低压燃烧合成；

E、将燃烧合成后的产品冷却后，用研磨机制成粉末即得氮化硅或氮化硅铁粉体。

本发明所述硅粉或硅铁粉的粒度为-325目。

本发明所述步骤A中，稀释剂为氮化硅或氮化硅铁。

本发明所述步骤A中，添加剂为氯化铵。

本发明所述步骤B中，反应料活化30min。

本发明所述碳毡制成的容器尺寸为500mm×50mm×80mm。

本发明所述的点火料为钛粉，其用量为15-50g。

本发明所述步骤D中，采用机械真空泵将低压容器内的真空度抽至0.09以上；控制氮气压力为0.01～1.0MPa，最佳压力为0.05～0.5MPa；原料预热温度为300～1000℃，最佳为500～800℃，以每分钟10～15℃的速率升。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、传统的燃烧合成氮化物的氮气压力底限是3MPa，有时甚至高达100MPa以上。不仅因设备投资提高了生产成本，同时也带来了生产安全性的问题。本发明反应压力仅为0.01～1MPa，无需特殊设备，设备成本低，且操作安全；

2、国内氮化硅或氮化硅铁粉体主要是在高温（1000～1400℃）条件下合成，反应时间长达72小时以上，反应周期长，耗能高，本发明预热温度仅为500～800℃，反应周期明显缩短，能耗降低；

3、本发明采用机械活化减小粉料粒度，细化晶粒，提高反应活性，同时加入价格便宜的反应助剂，大幅降低反应所用氮气压力，从而实现低压低成本燃烧合成制备氮化硅或氮化硅铁粉体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法的具体工艺步骤为：

1、准备原料：以硅粉或硅铁粉为原料，原料为一般工业级原料，粒度-325目；

2、配料：将金属硅粉或硅铁粉和稀释剂（氮化硅或氮化硅铁）烘干，添加一定比例的添加剂（氯化铵），混合成反应料，然后在振动球磨机中活化30min；反应料的重量百分含量为：硅粉或硅铁粉45～79%，稀释剂20～50%，添加剂1～5%；

3、装料：活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入点火料（钛粉），其用量为15～50g；

4、抽真空：采用机械真空泵将压力容器内的真空度0.09以上；

5、通氮气：充入氮气（纯度≥99.99%）到设定压力；设定压力为0.01～1.0MPa，最好为0.05～0.5MPa；在预热及反应过程中通过自动泄压装置，使反应容器中的氮气压力维持在设定压力；

6、预热：以每分钟10～15℃的速率升到设定温度；设定温度为300～1000℃，最好为500～800℃；

7、点燃：通过电点火装置点燃点火料，进而诱发燃烧合成反应；

8、将燃烧合成后的产品冷却后，用研磨机制成粒度为-325目的粉末即得氮化硅或氮化硅铁粉体。

实施例1：将金属硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅粉67wt%、氮化硅30wt%、氯化铵3wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，并在反应料的前端加入50g钛粉；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.05MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟15℃的速率升到800℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅。

按本实施例生产所得的氮化硅，根据行业标准YB/T174.1-2000检测，其含量为96.5wt%。

实施例2：将硅铁粉和氮化硅铁烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅铁粉67wt%、氮化硅30wt%、氯化铵3wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，并在反应料的前端加入50g钛粉；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.05MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟15℃的速率升到800℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅铁粉体。

按本实施例生产所得氮化硅铁，根据行业标准YB/T4239-2010检测，其中氮化硅：77.2wt%；Fe：13.1wt%。

实施例3：将金属硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅粉45wt%、稀释剂50wt%、氯化铵5wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入15g点火料；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.5MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟10℃的速率升到500℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅粉体。

按本实施例生产所得氮化硅，根据行业标准YB/T174.1-2000检测，其含量为97wt%。

实施例4：将硅铁粉和氮化硅铁烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅铁粉45wt%、稀释剂50wt%、氯化铵5wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入15g点火料；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.5MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟10℃的速率升到500℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅铁粉体。

按本实施例生产所得氮化硅铁，根据行业标准YB/T4239-2010检测，其中氮化硅76.5wt%；Fe：13.1wt%。

实施例5：将金属硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅粉79wt%、稀释剂20wt%、氯化铵1wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入30g点火料；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.2MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟12℃的速率升到700℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅粉体。

实施例6：将硅铁粉和氮化硅铁烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅铁粉79wt%、稀释剂20wt%、氯化铵1wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，在反应料的前端加入30g点火料；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.2MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟12℃的速率升到700℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅铁粉体。

按本实施例生产所得氮化硅铁，根据行业标准YB/T4239-2010检测，其中氮化硅：76.9wt%；Fe：15.5wt%。

实施例7：将金属硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅粉67wt%、氮化硅30wt%、添加剂3wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，并在反应料的前端加入50g钛粉；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入0.01MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟15℃的速率升到300℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅。

按本实施例生产所得的氮化硅，根据行业标准YB/T174.1-2000检测，其含量为96.6wt%。

实施例8：将硅铁粉和氮化硅铁烘干，然后添加氯化铵，配制成反应料；其中：硅铁粉67wt%、氮化硅30wt%、氯化铵3wt%；反应料在振动球磨机中活化30min；活化后的反应料松装于长500mm×50mm×80mm的碳毡制成的容器中，并在反应料的前端加入50g钛粉；将盛有反应料的容器置于低压容器中，抽真空后充入1.0MPa的低压氮气（纯度≥99.99%），以每分钟15℃的速率升到1000℃，经电点火后燃烧合成；反应结束后自然冷却，经研磨机研磨得氮化硅铁粉体。

按本实施例生产所得氮化硅铁，根据行业标准YB/T4239-2010检测，其中氮化硅：77.4wt%；Fe：13.2wt%。

Claims

1.一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其以硅粉或硅铁粉为原料，其特征在于，该方法的工艺步骤为：

B、将上述配制后的反应料混合后，在振动球磨机中活化；

2.根据权利要求１所述的低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述硅粉或硅铁粉的粒度为-325目。

3.如权利要求1所述的低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述步骤A中，稀释剂为氮化硅或氮化硅铁。

4.如权利要求1所述的低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述步骤A中，添加剂为氯化铵。

5.根据权利要求１-4所述的任意一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述步骤B中，反应料活化30min。

6.根据权利要求１-4所述的任意一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述碳毡制成的容器尺寸为500mm×50mm×80mm。

7.根据权利要求１-4所述的任意一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述的点火料为钛粉，其用量为15～50g。

8.根据权利要求１-4所述的任意一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述步骤D中，采用机械真空泵将低压容器内的真空度抽至0.09以上。

9.根据权利要求１-4所述的任意一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述步骤D中，氮气压力为0.05～0.5MPa。

10.根据权利要求１-4所述的任意一种低压预热燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于：所述步骤D中，原料预热温度为500～800℃，以每分钟10～15℃的速率升。