CN104891459A - 一种常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高纯氮氧化硅陶瓷粉体的制备技术领域，涉及常压热爆合成氮氧化硅陶瓷粉体的方法。其特点是它包括原料配料、混合、热爆合成反应、得成品等工艺阶段。基本实施步骤是由Si粉和SiO2粉按重量百分比为40-45:55-60的比例充分混合；在1380℃-1500℃下热爆合成3-15分钟；随后将热爆产物在溶液介质中进行重力分选2-5分钟，悬浮液经过滤、干燥处理后得氮氧化硅成品。所得产品纯度高，无杂质相，粉体烧结活性高，本发明的特点是在生产过程中无需添加任何稀释剂和催化剂，工艺简单，成本低廉，易于实现大规模连续式生产。

Description

一种常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法
技术领域
本发明为一种氮氧化硅粉体的制备方法。该发明属于无机非金属材料领域，制备的氮氧化硅粉体可广泛的应用于特种陶瓷、高端耐火材料和太阳能多晶硅铸锭用石英坩埚涂层等领域。
背景技术
氮氧化硅具有与氮化硅相近的物理化学性质，其抗热震、抗氧化和化学稳定性优于氮化硅，是一种优良的高温结构材料和耐火材料。同时，氮氧化硅材料还具有高体电阻、阻止金属扩散和优良的介电性能和光学性能等特性，可作为半导体薄膜的减反射膜，Rugate滤波器等。此外，利用氮氧化硅材料的抗中子辐射性能可用作核反应堆减速器、反射材料等。
目前氮氧化硅粉体的合成方法主要有无机固相反应法、化学气相沉积法和有机先驱体法。无机固相反应法因其设备简单易操作，易于大规模生产，产物易收集等原因而受到广泛关注。目前已报道的工艺技术包括：（1）SiO2和Si3N4混合粉体的固相反应、（2）SiO2粉体的碳热还原-氮化反应、（3）SiO2粉体在氨气中的氮化反应、（4）Si粉在氮、氧混合气体中的直接氮氧化反应以及（5）Si和SiO2混合粉体的固气氮化反应等。合成方法（1）反应温度高（>1700 oC），能耗大，同时不可避免地残留未参与反应的SiO2和Si3N4相，另外氮化硅原料价格相对昂贵，限制了其广泛应用；合成方法（2）工艺比较简便，原料来源也经济方便。但反应系统中可能会发生很多副反应，不易得到纯态的氧氮化硅产物，且产物中存在一定的碳污染；合成方法（3）限于合成非晶态的氧氮化硅粉体，且反应时间长达～40小时；合成方法（4）硅粉直接氮氧化反应，需严格控制O2分压，氮氧的竞争性反应，使得氮氧化产物收得率较低；合成方法（5）在常压条件下，需要高温、长时间的工艺条件，合成产物常含有一定量的副产物氮化硅和/或残留原料，难以得到纯相氮氧化硅粉体；在高压（4~14 MPa）条件下，可利用自蔓延高温合成工艺来实现氮氧化硅粉体的合成，但需添加氮化硅或氮氧化硅稀释剂以控制反应进程，同样由于副反应较多，易于生成β相氮化硅、方石英等副产物相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本制备氮氧化硅粉体的方法，特别是以粒径小于2μm的硅粉和粒径大于10μm石英粉为原料在高纯氮气氛围下常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法。
本发明采用下述技术方案来实现。一种常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法，其特征在于工艺步骤为：
1、配料：将粒径小于2μm的硅粉和粒径大于10μm的石英粉按如下比例进行配料：
Si粉：40-45wt%，
SiO2粉：55-60wt%；
2、混合：将上述步骤的配合料在混料机中混合1-4小时，使其充分混合均匀；
3、热爆合成反应：将上述均匀混合粉料松装于陶瓷匣钵内，并放置于气氛炉的低温端；以高纯氮气100ml/min的流量排气约30分钟，将炉体快速升温至1380-1500℃；调高氮气流量至大于1L/min后，将低温端的匣钵推入炉膛中部进行热爆反应3-15分钟；热爆反应后将匣钵推至低温端；
4、得成品：热爆反应后的产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在溶液介质中超声分散5-10分钟、重力分选2-5分钟，悬浮液经过滤、干燥得到氮氧化硅粉体成品。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述硅粉为粒径小于2μm的粉体。
进一步，所述石英粉的粒径为10-40μm的粉体。
进一步，所述氮氧化温度为1380℃-1500℃，可以程序最快速度升温。
进一步，所述热爆合成时，氮气流量需大于等于1L/min。
进一步，所述装有混合粉料的匣钵可随炉快速升温，亦可在程序到达指定温度后推入。
进一步，所述热爆合成产物的重力分选介质为纯水、乙醇、丙酮等，重力分选时间为2-5分钟。
本发明基于Si和SiO2混合粉体的固气氮化反应，采用常压热爆合成工艺进行氮氧化合成。热爆合成工艺是将反应体系加热到某一温度而引发反应体系整体燃烧的自蔓延高温合成方法。可有效解决常规高温合成工艺的高耗能问题，以及避免常规自蔓延高温合成工艺所需高压氮化气氛带来的设备附加要求。同时本发明以大颗粒石英粉与高活性、小粒径的高纯硅粉为原料，控制Si和SiO2原材料的粒径分布及摩尔配比，将所得合成产物进行简单的后续重力分选处理，即可获得高纯氮氧化硅粉体。本发明可适于大规模连续化生产的热爆燃烧合成工艺，不仅可大幅降低氮氧化硅粉体的制备成本，同时也提高了产品的纯度。
附图说明
图1 是实施例1氮氧化硅粉体XRD图谱。
具体实施方式
实施例1：
将平均粒径1.57μm的硅粉与平均粒径16μm的石英粉体，按重量百分比42%:58%混合后，放入混料机中混合2小时，使其充分混合均匀。随后将混合粉体松装于陶瓷匣钵内，放置于气氛炉的低温端，以高纯氮气100ml/min的流量排气约30分钟，将炉体快速升温至1380℃。调高氮气流量至1L/min后，将低温端的匣钵推入炉膛中部进行热爆反应8分钟，热爆反应后推至低温端；炉膛冷却至室温后取出样品。热爆反应产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在纯水中超声分散7分钟、重力沉降5分钟，悬浮液经过滤、50℃干燥得到氮氧化硅粉体成品，收得率约为84.6%。用X射线粉末衍射仪检测粉体成品中仅含有氮氧化硅物相，无残留硅和氧化硅衍射峰，如图1所示；氧氮分析仪测得粉体成品中氧含量为16.1%。
实施例2：
将平均粒径1.57μm的硅粉与平均粒径40μm的石英粉体，按重量百分比45%:55%混合后，放入混料机中混合3小时，使其充分混合均匀。将混合粉体松装于陶瓷匣钵内，放置于气氛炉的低温端，以高纯氮气100ml/min的流量排气约30分钟，将炉体快速升温至1430℃。调高氮气流量至2L/min后，将低温端的匣钵推入炉膛中部进行热爆反应12分钟，热爆反应后推至低温端；炉膛冷却至室温后取出样品。热爆反应后的产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在乙醇中超声分散9分钟、重力沉降2分钟，悬浮液经过滤、50℃干燥得到氮氧化硅粉体成品，收得率约为90.1%。用X射线粉末衍射仪检测粉体成品中仅含有氮氧化硅物相，无残留硅和氧化硅衍射峰；氧氮分析仪测得粉体成品中氧含量为16.4%。
实施例3：
将平均粒径1.57μm的硅粉与平均粒径23μm的石英粉体，按重量百分比44%:56%混合后，放入混料机中混合3.5小时，使其充分混合均匀。将混合粉体松装入陶瓷匣钵内，放置于气氛炉的中部均温区端，以高纯氮气100ml/min的流量排气约30分钟，将炉体快速升温至1400℃。迅速调高氮气流量至2.3L/min进行热爆反应5分钟，热爆反应后推至低温端；炉膛冷却至室温后取出样品。热爆反应后的产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在纯水中超声分散10分钟、重力沉降2分钟，悬浮液经过滤、50℃干燥得到氮氧化硅粉体成品，收得率约为89.4%。用X射线粉末衍射仪检测粉体成品中仅含有氮氧化硅物相，无残留硅和氧化硅衍射峰；氧氮分析仪测得粉体成品中氧含量为16.2%。
实施例4：
将平均粒径1.96μm的硅粉与平均粒径30μm的石英粉体，按重量百分比40%:60%混合后，放入混料机中混合4小时，使其充分混合均匀。将混合粉体松装入陶瓷匣钵内，放置于气氛炉的低温端，以高纯氮气100ml/min的流量排气约30分钟，将炉体快速升温至1410℃。调高氮气流量至1.5L/min后，将低温端的匣钵推入炉膛中部进行热爆反应10分钟，热爆反应后推至低温端；炉膛冷却至室温后取出样品。热爆反应后的产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在丙酮中超声分散5分钟、重力沉降3分钟，悬浮液经过滤、50℃干燥得到氮氧化硅粉体成品，收得率约为85.7%。用X射线粉末衍射仪检测粉体成品中仅含有氮氧化硅物相，无残留硅和氧化硅衍射峰；氧氮分析仪测得粉体成品中氧含量为16.2%。
实施例5：
将平均粒径1.96μm的硅粉与平均粒径30μm的石英粉体，按重量百分比41%:59%混合后，放入混料机中混合2小时，使其充分混合均匀。将混合粉体松装入陶瓷匣钵内，放置于气氛炉的低温端，以高纯氮气100ml/min的流量排气约30分钟，将炉体快速升温至1450℃。调高氮气流量至1.8L/min后，将低温端的匣钵推入炉膛中部进行热爆反应3分钟，热爆反应后推至低温端；炉膛冷却至室温后取出样品。热爆反应后的产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在乙醇中超声分散8分钟、重力沉降4分钟，悬浮液经过滤、50℃干燥得到氮氧化硅粉体成品，收得率约为86.5%。用X射线粉末衍射仪检测粉体成品中仅含有氮氧化硅物相，无残留硅和氧化硅衍射峰；氧氮分析仪测得粉体成品中氧含量为16.3%。

Claims (3)

1.一种常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法，其特征在于工艺步骤为：
1、配料：将粒径小于2μm的硅粉和粒径大于10μm的石英粉按如下比例进行配料：
Si粉：40-45wt%，
SiO2粉：55-60wt%；
2、混合：将上述步骤的配合料在混料机中混合1-4小时，使其充分混合均匀；
3、热爆合成反应：将上述均匀混合粉料松装于陶瓷匣钵内，并放置于气氛炉的低温端；以高纯氮气排气约30分钟，将炉体快速升温至1380-1500℃；调高氮气流量至大于1L/min后，将低温端的匣钵推入炉膛中部进行热爆反应3-15分钟；热爆反应后将匣钵推至低温端；
4、得成品：热爆反应后的产物为白色松软块体，除去少量边部产物后，在溶液介质中超声分散、重力分选，悬浮液经过滤、干燥得到氮氧化硅粉体成品。
2.根据权利要求1所述的一种常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法，其特征在于：所述热爆合成产物的重力分选介质为纯水、乙醇或丙酮，重力分选时间为2-5分钟。
3. 根据权利要求1所述的一种常压热爆合成制备氮氧化硅粉体的方法，其特征在于：所述石英粉的粒径为10-40μm的粉体。
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