CN106241814B - 一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法 - Google Patents

一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，具体按照以下步骤实施：分别称取钼粉、硅粉及PVA粉；将称取的PVA粉添加到去离子水中形成PVA溶胶；将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，形成钼硅粉PVA料浆；利用旋转雾化干燥设备对得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到硅粉‑钼粉混合颗粒；对得到的硅粉‑钼粉混合颗粒进行脱胶处理；对脱胶后的颗粒物进行选区自蔓延合成，得到二硅化钼；对得到二硅化钼依次进行破碎、球磨、筛分处理得到二硅化钼粉体。本发明的方法能制备出单相高纯二硅化钼粉体，具有合成率高、球磨处理时间短、效率高及品质高的特点。

Description

一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法
技术领域
本发明属于材料制备方法技术领域，具体涉及一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法。
背景技术
二硅化钼MoSi2熔点约为2030℃，热稳定性好，温度高于1600℃时仍具有较佳的抗氧化性能。二硅化钼MoSi2具备有高温加热元件所需的各种优良性能，是高温氧化环境中首选的加热材料。二硅化钼MoSi2主要应用于高温氧化领域的结构材料、发热原件、高温抗氧化涂层、热电偶保护管、鼓泡管、测温管、电极、电阻浆料、红外光源材料和陶瓷连接材料等方面。
随着粉末冶金技术及复合材料加工技术的迅速发展，二硅化钼MoSi2及其复合材料的制备方法也有很多途径，但主流方法有两类：一类是直接合成块体材料；另一类是先制备二硅化钼硅粉体，再通过粉末冶金的方法制备所需的器件。直接合成二硅化钼块体材料的方法主要有放电火花烧结SPS、热压烧结HP、爆炸合成以及等离子喷射沉积等，但这些方法在实际应用中也存在一些缺点，如：合成块体材料较小、形状简单、易氧化及合成不彻底等。
就现有技术而言，制备二硅化钼粉体的主要方法有机械合金化及自蔓延高温合成法(SHS)等，然而这类方法也具有明显的缺点：(1)合成效率低，成品率差；(2)合成二硅化钼后，必须经过长时间的球磨处理，效率低且能耗高。针对现有二硅化钼粉体合成方法成品率差、球磨处理时间长、效率低及能耗高的缺点，非常有必要开发出一种新的二硅化钼粉体制备工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，能制备出单相高纯二硅化钼粉体，具有合成率高、球磨处理时间短、效率高及品质高的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、分别称取钼粉、硅粉及PVA粉；将称取的PVA粉添加到去离子水中形成PVA溶胶；将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，形成钼硅粉PVA料浆；
步骤2、利用旋转雾化干燥设备对经步骤1得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到大量的硅粉-钼粉混合颗粒，且硅粉-钼粉混合颗粒呈球形，其平均粒径为十几微米；
步骤3、对经步骤2得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理；
步骤4、经步骤3后，对脱胶后的得到物质进行选区自蔓延合成，得到二硅化钼；
步骤5、对经步骤4得到二硅化钼依次进行破碎、球磨及筛分处理，得到二硅化钼粉体。
本发明的特点在于：
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、按照质量比为1.71：1分别称取钼粉和硅粉，要保证钼硅的原子比为1：2；
步骤1.2、称取PVA粉，PVA粉的质量为步骤1.1中称取的钼粉和硅粉总量的1.5％～3.0％；
步骤1.3、量取去离子水，量取标准为：每kg的PVA粉要量取18L～22L的去离子水；按照该标准，将步骤1.2中称取的PVA粉添加到去离子水中，搅拌均匀后形成PVA溶胶；
步骤1.4、待步骤1.3得到的PVA溶胶变澄清后，将步骤1.1中称取的钼粉和硅粉一起添加到PVA溶胶中，搅拌4h～6h后，得到钼硅粉PVA料浆。
步骤1.3中去离子水的温度为70℃～80℃。
步骤2中，在使用旋转雾化干燥设备进行造粒过程中要控制该设备的参数；
具体的参数为：当进风口温度为230℃～240℃，且出风口温度为145℃～155℃时，开启蠕动泵，蠕动泵正常工作范围80r/m～120r/m，待蠕动泵稳定持续工作后，将经步骤1得到的钼硅粉PVA料浆装入旋转雾化干燥设备，控制转子转速为17000r/m～18000r/m。
步骤3中脱胶处理方法具体为：
于氢气气氛保护下，对经步骤2得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，在脱胶过程中，脱胶温度为800℃～1150℃，脱胶时间为6h～8h，氢气露点温度为45℃以上。
步骤4中选区自蔓延合成的条件为：
于氩气气氛保护下进行，合成温度为1200℃～1600℃，合成用时间为18min～22min。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法能制备出单相高纯二硅化钼粉体。
(2)本发明一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法具有合成率高、球磨处理时间短、效率高及品质高的特点。
(3)本发明一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法是一种适于产量化、低成本生产高品质二硅化钼粉的方法。
附图说明
图1是采用本发明的方法经造粒后形成的硅粉-钼粉混合颗粒的电镜照片；
图2是采用本发明的方法得到的二硅化钼粉体的电镜照片；
图3是本发明的方法中的优选方案得到的二硅化钼粉体的SEM照片；
图4是本发明的方法中的优选方案得到的二硅化钼粉体的能谱分析图；
图5是本发明的方法中的优选方案得到的二硅化钼粉体的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、分别称取钼粉、硅粉及PVA粉；将称取的PVA粉添加到去离子水中形成PVA溶胶；将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，形成钼硅粉PVA料浆，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、按照质量比为1.71：1分别称取钼粉和硅粉，要保证钼硅的原子比为1：2；
步骤1.2、称取PVA粉，PVA粉的质量为步骤1.1中称取的钼粉和硅粉总量的1.5％～3.0％；
步骤1.3、量取去离子水，量取标准为：每kg的PVA粉要量取18L～22L的去离子水；按照该标准，将步骤1.2中称取的PVA粉添加到去离子水中，搅拌均匀后形成PVA溶胶；
其中，去离子水的温度为70℃～80℃；
步骤1.4、待步骤1.3得到的PVA溶胶变澄清后，将步骤1.1中称取的钼粉和硅粉一起添加到PVA溶胶中，搅拌4h～6h后，得到钼硅粉PVA料浆。
步骤2、利用旋转雾化干燥设备对经步骤1得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到大量的硅粉-钼粉混合颗粒，且硅粉-钼粉混合颗粒呈球形，其平均粒径为十几微米；
在使用旋转雾化干燥设备进行造粒过程中要控制该设备的参数，具体的参数为：当进风口温度为230℃～240℃，且出风口温度为145℃～155℃时，开启蠕动泵，蠕动泵正常工作范围80r/m～120r/m，待蠕动泵稳定持续工作后，将经步骤1得到的钼硅粉PVA料浆装入旋转雾化干燥设备，控制转子转速为17000r/m～18000r/m。
步骤3、对经步骤2得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，具按照以下方法实施：
于氢气气氛保护下，对经步骤2得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，在脱胶过程中，脱胶温度为800℃～1150℃，脱胶时间为6h～8h，氢气露点温度为45℃以上。
采用脱胶既的目的在于：可以使胶体排除彻底，又不会使硅挥发，尤其要使排胶后的粉体中碳元素含量保持在50ppm以下，从而保证生成二硅化钼的纯度。
步骤4、经步骤3后，对脱胶后的得到物质进行选区自蔓延合成，得到二硅化钼；
其中，选区自蔓延(选区SHS)合成的条件为：于氩气气氛保护下进行，合成温度为1200℃～1600℃，合成用时间为18min～22min。
步骤5、对经步骤4得到二硅化钼依次进行破碎、球磨及筛分处理，得到二硅化钼粉体。
如图1所示，是经造粒后形成的硅粉-钼粉混合颗粒，自蔓延反应(SHS反应)也在该微小的颗粒状球体内进行选区反应，反应后可形成颗粒较为规则且粒度分布较窄的二硅化钼颗粒，且颗粒与颗粒之间是强度不大的点接触，使后续的球磨处理时间及难度都大幅度缩小，效率提高。如图2所示，是反应后，已合成为纯度较高的二硅化钼球形颗粒，可以看出颗粒之间仅是微小粘连，只需稍加球磨即可成为成品二硅化钼粉体。
实施例1(优选方案)
分别称取95.96kg的钼粉和56.1kg的硅粉；称取3.03kg的PVA粉；将PVA粉溶于60L温度为75℃的去离子水中，搅拌均匀后形成PVA溶胶；待PVA溶胶澄清后，将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，搅拌5h后，得到钼硅粉PVA料浆；
利用旋转雾化干燥设备对得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到大量的硅粉-钼粉混合颗粒，且得到硅粉-钼粉混合颗粒呈球形，其平均粒径为十几微米；在使用旋转雾化干燥设备进行造粒过程中要控制设备的参数，具体控制的参数为：当进风口温度为235℃，且出风口温度为150℃时，开启蠕动泵，蠕动泵正常工作范围100r/m，待蠕动泵稳定持续工作后，将钼硅粉PVA料浆装入设备，控制转子转速为17500r/m；
于氢气气氛保护下，对得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，在脱胶过程中，脱胶温度为1000℃，脱胶时间为6h，氢气露点温度为50℃；
对脱胶后的得到物质进行选区自蔓延合成，得到二硅化钼；其中，选区自蔓延合成的条件为：于氩气气氛保护下进行，合成温度为1300℃，合成用时间为20min；
对二硅化钼依次进行破碎、球磨、筛分处理得到二硅化钼粉体。
图3是采用实施例1的方案得到的二硅化钼粉体的SEM照片，可以看出：硅粉和钼粉经混合、造粒、脱胶、反应，最终球磨筛分后得颗粒较为均匀的粉体，还能看出颗粒保留一定的团聚状态，这是造粒后微区反应的结果。图4是采用实施例1的得到的二硅化钼粉体的能谱分析图，可以看出：钼与硅的能谱峰明显，比例合适。图5是采用实施例1的方案得到的二硅化钼粉体的XRD图，可以看出：二硅化钼各晶面上的衍射峰清晰，证实微区反应生成了二硅化钼。
实施例2
分别称取85kg的钼粉和49.7kg的硅粉；称取2.38kg的PVA粉；将PVA粉溶于48L温度为70℃的去离子水中，搅拌均匀后形成PVA溶胶；待PVA溶胶澄清后，将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，搅拌4h后，得到钼硅粉PVA料浆；
利用旋转雾化干燥设备对得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到硅粉-钼粉混合颗粒，且硅粉-钼粉混合颗粒呈球形，其平均粒径为十几微米；在使用旋转雾化干燥设备进行造粒过程中要控制设备的参数，具体控制的参数为：当进风口温度为230℃，且出风口温度为145℃时，开启蠕动泵，蠕动泵正常工作范围80r/m，待蠕动泵稳定持续工作后，将钼硅粉PVA料浆装入设备，转子转速为17000r/m；
于氢气气氛保护下，对得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，在脱胶过程中，脱胶温度为800℃，脱胶时间为,6h，氢气露点温度为55；
对脱胶后的得到物质进行选区自蔓延合成，得到二硅化钼；其中，选区自蔓延合成的条件为：于氩气气氛保护下进行，合成温度为1200℃，合成用时间为18min；
对二硅化钼依次进行破碎、球磨、筛分处理得到二硅化钼粉体。
实施例3
分别称取171kg的钼粉和100kg的硅粉；称取7.2kg的PVA粉；将PVA粉溶于150L温度为80℃的去离子水中，搅拌均匀后形成PVA溶胶；待PVA溶胶澄清后，将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，搅拌6h后，得到钼硅粉PVA料浆；
利用旋转雾化干燥设备对得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到硅粉-钼粉混合颗粒，且硅粉-钼粉混合颗粒呈球形，其平均粒径为十几微米；在使用旋转雾化干燥设备进行造粒过程中要控制设备的参数，具体控制的参数为：当进风口温度为240℃，且出风口温度为155℃时，开启蠕动泵，蠕动泵正常工作范围120r/m，待蠕动泵稳定持续工作后将钼硅粉PVA料浆装入设备，转子转速为18000r/m；
于氢气气氛保护下，对得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，在脱胶过程中，脱胶温度为1600℃，脱胶时间为8h，氢气露点温度为60；
对脱胶后的颗粒物进行选区SHS合成，得到二硅化钼；其中，选区SHS合成的条件为：在氩气气氛保护下进行，合成温度在1600℃，合成用时间为22min；
对二硅化钼依次进行破碎、球磨、筛分处理得到二硅化钼粉体。
本发明一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，能制备出单相高纯二硅化钼粉体，具有合成率高、球磨处理时间短、效率高及品质高的特点。

Claims (5)

1.一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、分别称取钼粉、硅粉及PVA粉；将称取的PVA粉添加到去离子水中形成PVA溶胶；将称取的钼粉和硅粉添加到PVA溶胶中，形成钼硅粉PVA料浆；具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、按照质量比为1.71：1分别称取钼粉和硅粉，要保证钼硅的原子比为1：2；
步骤1.2、称取PVA粉，PVA粉的质量为步骤1.1中称取的钼粉和硅粉总量的1.5％～3.0％；
步骤1.3、量取去离子水，量取标准为：每kg的PVA粉要量取18L～22L的去离子水；按照该标准，将步骤1.2中称取的PVA粉添加到去离子水中，搅拌均匀后形成PVA溶胶；
步骤1.4、待步骤1.3得到的PVA溶胶变澄清后，将步骤1.1中称取的钼粉和硅粉一起添加到PVA溶胶中，搅拌4h～6h后，得到钼硅粉PVA料浆；
步骤2、利用旋转雾化干燥设备对经步骤1得到的钼硅粉PVA料浆进行旋转喷雾干燥造粒处理，得到大量的硅粉-钼粉混合颗粒，且硅粉-钼粉混合颗粒呈球形，其平均粒径为十几微米；
步骤3、对经步骤2得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理；
步骤4、经步骤3后，对脱胶后的得到物质进行选区自蔓延合成，得到二硅化钼；
步骤5、对经步骤4得到二硅化钼依次进行破碎、球磨及筛分处理，得到二硅化钼粉体。
2.根据权利要求1所述的一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，其特征在于，所述步骤1.3中去离子水的温度为70℃～80℃。
3.根据权利要求1所述的一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，其特征在于，所述步骤2中，在使用旋转雾化干燥设备进行造粒过程中要控制该设备的参数；
具体的参数为：当进风口温度为230℃～240℃，且出风口温度为145℃～155℃时，开启蠕动泵，蠕动泵正常工作范围80r/m～120r/m，待蠕动泵稳定持续工作后，将经步骤1得到的钼硅粉PVA料浆装入旋转雾化干燥设备，控制转子转速为17000r/m～18000r/m。
4.根据权利要求1所述的一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，其特征在于，所述步骤3中脱胶处理方法具体为：
于氢气气氛保护下，对经步骤2得到的硅粉-钼粉混合颗粒进行脱胶处理，在脱胶过程中，脱胶温度为800℃～1150℃，脱胶时间为6h～8h，氢气露点温度为45℃以上。
5.根据权利要求1所述的一种选区自蔓延合成二硅化钼粉体的方法，其特征在于，所述步骤4中选区自蔓延合成的条件为：
于氩气气氛保护下进行，合成温度为1200℃～1600℃，合成用时间为18min～22min。
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