CN108588837A - 一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种晶须生产工艺，属于晶须生产技术领域，具体涉及一种制备高模量β‑Si3N4晶须的生产工艺；一种制备高模量β‑Si3N4晶须的生产工艺，包括原材料准备、制浆、转晶烧结、晶须成品检测和晶须清洗五个步骤。本发明不需要事先压块，直接将反应混合物装入内壁涂有氮化硼的多孔石墨坩埚中，按烧结曲线加热，该反应无环境污染，化学稳定性好、耗能低，产出率接近100%，并且制备工艺成本低廉，无环境污染，耗能低，时间短，工艺简单，易于实现。

Description

一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺
技术领域
本发明涉及一种晶须生产工艺，属于晶须生产技术领域，具体涉及一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，人们对晶须的的研究取得了巨大的成果。氮化硅晶须具有2种晶形，a-Si3N4晶须和β-Si3N4晶须。按所用原料制备氮化硅晶须的方法有金属硅氮化、含硅氧化物碳热分解和含硅卤化物气相反应等；按形态分为气相法、液相法和固相法，按生产工艺方法分为直接氮化法、化学气相沉积法、碳热还原法、卤化硅气相氨分解法、自蔓延法等。氮化硅晶须有a相和β相，均属于六方晶系,一般认为a-Si3N4为低温稳定型，β-Si3N4为高温稳定型,研究发现，a-Si3N4晶须的生长方向有3个，即β-Si3N4晶须只有一个生长方向。
碳化硅晶须的强度和模量优于氮化硅晶须,但Si3N4晶须比SiC晶须具有更优良的耐高温、低膨胀系数、抗蠕变、抗氧化、抗化学腐蚀、抗热冲击、耐磨和良好的化学稳定性，是金属和陶瓷材料的理想增强元素。目前，高模量Si3N4晶须制备工艺成本高，环境污染严重，耗能大，时间长，不适于工业规模生产。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，通过对高纯a--Si3N4粉体原料的处理，得到长径比在7---15之间，晶体结构完整、表面光滑的高模量β-Si3N4晶须。
本发明的目的是这样实现的：
一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，包括以下步骤：
S1，原材料准备：将高纯a--Si3N4粉体原料按一定固液比，加入添加剂，然后置于砂磨机中研磨，并混合成悬浮液。
进一步地，S1步骤中所述添加剂为氧化钇粉，所述氧化钇粉的含量为2%-8%。
进一步地，S1步骤中所述研磨采用球磨机进行研磨，研磨时间3-4小时。
进一步地，S1步骤中所述中位径不大于0.5um。
S2，制浆：将步骤一的悬浮液经过喷雾造粒干燥后过筛，然后放入氨水，经搅拌后完成制浆。
进一步地，S2步骤中所述过筛筛网孔径为100-120目。
S3，转晶烧结：将调制好的乳液注入烧结炉内的石墨坩埚中，抽真空后，采用氨气作保护气氛，按10-15℃/min升温至1400-1450℃时，保温1.5-2h，开启氮气阀门，在氮气气氛中，渐渐加压至7-8Mpa，加热至1800-1850℃，控制转晶时间和晶形，晶须生成后，停止加热，冷却至室温、收料。
进一步地，S3步骤中所述氮气流速为1.5-2L/min。
S4，晶须成品检测：根据国家标准对S3步骤制备的晶须成品的直径、长度、长径比、松散密度、白度和PH值进行检测；
S5，晶须清洗：对S4中符合国家标准的成品晶须进行酸洗和碱洗，清洗后得到成品晶须。
高模量β-Si3N4晶须的特点：
碳化硅晶须的强度和模量优于氮化硅晶须,但Si3N4晶须比SiC晶须具有更优良的耐高温、低膨胀系数、抗蠕变、抗氧化、抗化学腐蚀、抗热冲击、耐磨和良好的化学稳定性，是金属和陶瓷材料的理想增强元素。
a-Si3N4晶须表面不光滑，有大量缺陷，且有很多分叉晶须，而β-Si3N4晶须的表面光滑，看不到缺陷，分叉的晶须很少。
本发明制备的β－Si3N4晶须，长径比在7---15之间，晶体结构完整、表面光滑，具有加热至1800℃的热稳定性能。晶须的大小与晶须的性能有密切关系，随尺寸增加，缺陷增多，晶须的性能下降。晶须的直径小于10Lm时,其强度急剧增加,随着晶须直径的增大其强度下降。
高模量β---Si3N4晶须有良好的耐热性、热稳定性、导热性，是特殊用途的功能材料。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：根据本发明所公开的一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，不需要事先压块，直接将反应混合物装入内壁涂有氮化硼的多孔石墨坩埚中，按烧结曲线加热，该反应无环境污染，化学稳定性好、耗能低，产出率接近100%，并且制备工艺成本低廉，无环境污染，耗能低，时间短，是高技术关键新材料，适用于陶瓷基、金属基和树脂基复合材料。在陶瓷刀具、航天飞机、汽车零部件、化工及机械能源生产中获广泛应用。
具体实施方式
实施例一
一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，包括以下步骤：
S1，原材料准备：将高纯a--Si3N4粉体原料按一定固液比，加入添加剂，然后置于砂磨机中研磨，并混合成悬浮液。
进一步地，S1步骤中所述添加剂为氧化钇粉，所述氧化钇粉的含量为2%-8%。
进一步地，S1步骤中所述研磨采用球磨机进行研磨，研磨时间3-4小时。
进一步地，S1步骤中所述中位径不大于0.5um。
S2，制浆：将步骤一的悬浮液经过喷雾造粒干燥后过筛，然后放入氨水，经搅拌后完成制浆。
进一步地，S2步骤中所述过筛筛网孔径为100-120目。
S3，转晶烧结：将调制好的乳液注入烧结炉内的石墨坩埚中，抽真空后，采用氨气作保护气氛，按10-15℃/min升温至1400-1450℃时，保温1.5-2h，开启氮气阀门，在氮气气氛中，渐渐加压至7-8Mpa，加热至1800-1850℃，控制转晶时间和晶形，晶须生成后，停止加热，冷却至室温、收料。
进一步地，S3步骤中所述氮气流速为1.5-2L/min。
S4，晶须成品检测：根据国家标准对S3步骤制备的晶须成品的直径、长度、长径比、松散密度、白度和PH值进行检测。
S5，晶须清洗：对S4中符合国家标准的成品晶须进行酸洗和碱洗，清洗后得到成品晶须。
实施例二：按表1指定的各变量重复实施例一的方法，在表2中列出测试结果；
实施例三：按表1指定的各变量重复实施例一的方法，在表2中列出测试结果；
实施例四：按表1指定的各变量重复实施例一的方法，在表2中列出测试结果；
实施例五：按表1指定的各变量重复实施例一的方法，在表2中列出测试结果；
对比例：按表1指定的各变量重复实施例一的方法，在表2中列出测试结果；
表1：各变量含量表
各变量 实施例一 实施例二 实施例三 实施例四 实施例五 对比例
氧化钇粉的含量(%) 2 4 5 7 8 10
研磨时间(小时) 3 3.2 3.5 3.8 4 2
筛网孔径(目) 100 112 115 118 120 80
升温速度(℃/min) 10 12 13 14 15 20
升温温度(℃) 1400 1420 1430 1440 1450 1500
保温时间(h) 1.5 1.6 1.7 1.9 2 1
加压压强(MPa) 7 7.3 7.5 7.8 8 5
加热温度(℃) 1800 1820 1830 1840 1850 1700
氮气流速(L/min) 1.5 1.6 1.7 1.9 2 1
表2：性能参数表
各变量 实施例一 实施例二 实施例三 实施例四 实施例五 对比例
晶须直径(um) 1 2 3 4 5 2
晶须长度(um) 20 120 150 160 200 500
晶须长径比 20 60 50 40 40 250
晶须松散密度(g/cm2) 0.18 0.23 0.27 0.32 0.35 0.42
晶须白度(%) 80 85 88 92 95 75
晶须PH值 7 7.5 8 8.5 9 6
表3：检测项目参数范围及检测方法
检测项目 基本参数范围 检测方法
直径 1-5um GB/Z21738-2008
长度 20-200um GB/Z21738-2008
长径比 20-200 GB/Z21738-2008
松散密度 0.18-0.35g/cm2 GB/T6646-2008
白度 ≧80% GB/T19281---2003
PH值 7-8 GB/Z214563-2008
从表2中我们可以看出，按照实施例一至实施例五所述的步骤制成的高模量β-Si3N4晶须，与对比例相比，其晶须直径、晶须长度、晶须长径比、晶须松散密度、晶须白度和晶须PH值均达到表3中规定的国家标准，且实施例五中制备的晶须效果最佳。
应该理解，以上描述是为了进行说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本发明的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1，原材料准备：将高纯a--Si3N4粉体原料按一定固液比，加入添加剂，然后置于砂磨机中研磨，并混合成悬浮液；
S2，制浆：将步骤一的悬浮液经过喷雾造粒干燥后过筛，然后放入氨水，经搅拌后完成制浆；
S3，转晶烧结：将调制好的乳液注入烧结炉内的石墨坩埚中，抽真空后，采用氨气作保护气氛，按10-15℃/min升温至1400-1450℃时，保温1.5-2h，开启氮气阀门，在氮气气氛中，渐渐加压至7-8Mpa，加热至1800-1850℃，控制转晶时间和晶形，晶须生成后，停止加热，冷却至室温、收料；
S4，晶须成品检测：根据国家标准对S3步骤制备的晶须成品的直径、长度、长径比、松散密度、白度和PH值进行检测；
S5，晶须清洗：对S4中符合国家标准的成品晶须进行酸洗和碱洗，清洗后得到成品晶须。
2.根据权利要求1所述的一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，其特征在于：S1步骤中所述添加剂为氧化钇粉，所述氧化钇粉的含量为2%-8%。
3.根据权利要求1所述的一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，其特征在于：S1步骤中所述研磨采用球磨机进行研磨，研磨时间3-4小时。
4.根据权利要求1所述的一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，其特征在于：S1步骤中所述中位径不大于0.5um。
5.根据权利要求1所述的一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，其特征在于：S2步骤中所述过筛筛网孔径为100-120目。
6.根据权利要求1所述的一种制备高模量β-Si3N4晶须的生产工艺，其特征在于：S3步骤中所述氮气流速为1.5-2L/min。
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CN101864620A (zh) * 2010-07-30 2010-10-20 哈尔滨工业大学 一种氮化硅晶须的制备方法
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