CN108996483A - 一种燃烧合成氮化硅粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃烧合成氮化硅粉体的方法。该方法以硅粉、氮化硅粉稀释剂和添加剂为原料，通过燃烧合成法制备氮化硅粉体，其中，所述添加剂为含SiO2物质、SiO和水中的一种或多种。该方法使用绿色添加剂、且使用方法相对简单的燃烧合成工艺来制备α相≥80％的氮化硅粉体。避免传统添加剂所带来负面影响，最终获得一种绿色的方式实现α相≥80％的氮化硅粉体的合成。

Description

一种燃烧合成氮化硅粉体的方法
技术领域
本发明涉及氮化硅粉体技术领域，更具体地涉及一种燃烧合成氮化硅粉体的方法。
背景技术
α-氮化硅作为氮化硅的低温稳定相，由于具有比β-氮化硅更好的烧结性能而被用来作为高性能氮化硅陶瓷的主要粉体原料。品质优良的粉体原料赋予氮化硅陶瓷优异的力学性能、热学性能、抗腐蚀性能等。使氮化硅陶瓷制品在各工程行业应用中都表现出杰出的优势。此外，在光伏硅产业中，作为熔铸坩埚脱模剂的α-氮化硅粉体在市场中也有巨大的需求。由此可见，α-氮化硅粉体制备技术在氮化硅领域扮演着举足轻重的作用。获取α相氮化硅相含量可控的方法来制备高α相氮化硅粉体的技术成为最终诉求。
生产α相氮化硅粉体的方法主要包含以下几种：硅粉直接氮化法、氨解法、碳热还原法、燃烧合成法等。
硅粉直接氮化法是在高温炉中直接加热硅粉，并通以氮气或氨气使其发生氮化反应。该方法尽管流程简单，但需要长时间加热，能耗大，此外，还需要控制温度范围在硅粉熔点以下，对于加热过程控制要求严苛，这些无疑使得其生产成本居高不下。
氨解法是先以液相方法制得Si(NH)2，然后通过高温热解与晶化处理制得高α相氮化硅粉体。尽管氨解法生产的氮化硅粉体具有纯度高、粒度均一等优点，但由于设备与工艺过程复杂，生产过程要精确控制，使得其低成本与大规模化生产受到限制。
碳热还原法是以二氧化硅粉体与碳粉混合后在氮气气氛中发生氧化还原反应制备氮化硅粉体的方法。尽管该方法成本低廉，但由于生产时过量的碳粉加入以及对于反应温度的要求，使其获得的产物在纯度上得不到保证。
燃烧合成法也称自蔓延合成，是利用反应本身放出的热量来使体系反应能够自发地维持，仅需要微小的能量引发便可使反应完全的方法。该方法被用来制备氮化硅粉体，具有周期短、成本低、操作简单及产品纯度高等优点。
以燃烧合成的方法制备氮化硅粉体已有大量的报导，但由于燃烧合成过程中温度过高的特性，使得此方法也存在一定的局限。所以在考虑燃烧合成技术优势的基础上，也有一些制备α-氮化硅的方法。例如Merzhanov等发明的“一种制备高α相氮化硅的方法”(专利US5032370)和李金富等发明的“自蔓延无污染快速制备高α相氮化硅粉体的方法”等，均需要使用一些反应后会产生有害物质的添加剂，不仅使得工业生产过程中环境问题进一步恶化，而且工作人员的健康得不到保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以使用绿色添加剂、且使用方法相对简单的燃烧合成工艺来制备α相氮化硅粉体。避免传统添加剂所带来负面影响，在α相含量可控的基础上以一种绿色的方式实现氮化硅粉体的合成。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种燃烧合成氮化硅粉体的方法，以硅粉、氮化硅粉稀释剂和添加剂为原料，通过燃烧合成法制备氮化硅粉体，其中，所述添加剂为含SiO2物质、一氧化硅(SiO)和水中的一种或多种。
本发明的方法旨在改进燃烧合成法制备氮化硅粉体方法中使用的添加剂。该添加剂可以在燃烧合成过程中引入H2O、SiO和/或SiO2，且绿色、高效，以实现相含量可控的氮化硅粉体的燃烧合成。
需要说明的是，本发明所述的“含SiO2物质”是指含有化合物SiO2的物质，例如硅溶胶、二氧化硅纳米粉、正硅酸乙酯水解产物等，但不包括含有SiO2成分的硅酸盐矿物等，也不包含影响氮化硅粉产品应用效果的C、Fe等杂质。
进一步地，根据本发明的具体实施方案，所述硅粉、氮化硅粉稀释剂和添加剂的质量百分比可以为：硅粉30％-60％，氮化硅粉稀释剂30-70％，添加剂1-20％，且所有原料质量之和为100％。
根据本发明的具体实施方案，采用燃烧合成法制备氮化硅粉体，在保证选用本发明所述的添加剂进行制备的情况下，通常采用现有技术中已知步骤和反应条件，均可实现α相氮化硅粉体的制备，例如将硅粉、氮化硅粉稀释剂和添加剂一起混合制粉，再进行燃烧合成。也可优先将硅粉与氮化硅粉稀释剂混合均匀得到粉体混合物；再将添加剂加入到粉体混合物中，混合均匀，制得反应物；将反应物置于模具中，并将模具置于反应釜中，在氮气压力下将反应物引燃，使其进行自蔓延反应；反应结束降温，取出产物，清理得到氮化硅粉体产物。
可选的，所述硅粉纯度大于99％，粒径范围为0.1-15μm。使用时可以是不同粒径的硅粉混合使用，本发明对各种粒径的硅粉的使用比例不做限制，只要粒径在此范围，均不会影响本发明的实施。
可选的，所述氮化硅粉稀释剂粒径范围为0.1-20μm。使用时可以是不同粒径的氮化硅粉稀释剂混合使用，本发明对各种粒径的氮化硅粉稀释剂的使用比例不做限制，只要粒径在此范围，均不会影响本发明的实施。根据本发明的具体实施方案，使用的氮化硅粉稀释剂的α相含量大于80％。
可选的，所述氮气压力为0.5-10MPa。
本发明的有益效果如下：
本发明首次提出引入氧参与燃烧合成反应，核心是以添加能生成α-Si3N4的SiO、H2O、SiO2为出发点的新技术。因此，凡是在燃烧合成过程中引入H2O、SiO、SiO2的方法均属于本发明的保护范畴。本发明的方法可获得α-Si3N4含量大于80％的Si3N4粉体产品。
此外，本发明的方法具有如下显著优势：
(1)几乎无需对原料进行前处理，可以直接在反应中使用，省去了例如活化、洗涤等繁琐工艺，节省生产成本、缩短生产周期。
(2)使用此类添加剂，不仅在符合当下绿色制备的大环境，而且能够在保证其作用效果的前提下最大限度的简化生产工艺。
(3)利用燃烧合成技术，一方面在能耗方面具有先天优势，而且其工艺过程简单，具有自净化功能，生产周期短，在此背景下的燃烧合成氮化硅粉体技术，与传统工艺相比的优势不言而喻。
(4)本发明能够在相对较低的实验压力下诱发反应，一方面降低了对于生产设备的要求，另一方面使安全生产这一不变主题有所保障。
(5)反应后的产物易于清理，且产物间结合力弱，不需要使用复杂的破碎工艺来获得细粉，只需简单过筛即可。
(6)使用此类添加剂时，其产物中的α相含量可控，且产物中的氮化硅颗粒粒度均匀。且兼顾成本、工艺、周期、绿色等特点，在氮化硅生产技术领域具有明显的益处。
另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1：实施例1中燃烧合成氮化硅粉末产物的X射线衍射图谱；
图2：实施例1中燃烧合成氮化硅粉末产物的扫描电镜微观形貌照片；
图3:实施例2中燃烧合成氮化硅粉末产物的X射线衍射图谱；
图4：实施例2中燃烧合成氮化硅粉末产物的扫描电镜微观形貌照片；
图5：实施例3中燃烧合成氮化硅粉末产物的X射线衍射图谱；
图6：实施例3中燃烧合成氮化硅粉末产物的扫描电镜微观形貌照；
图7：对比示例1中燃烧合成氮化硅粉末产物的X射线衍射图谱；
图8：对比示例1中燃烧合成氮化硅粉末产物的扫描电镜微观形貌照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例1
一种燃烧合成氮化硅粉体的方法，其具体步骤如下：
(1)按照质量百分比取下述原料：38％硅粉(纯度＞99％)、54％氮化硅粉稀释剂、8％固含量20％的硅溶胶；
(2)粉体混合物的制备：将硅粉与氮化硅粉稀释剂及添加剂硅溶胶混合均匀得到反应物。
(3)燃烧反应的进行：将上述反应物置于模具中，之后将其放入燃烧合成反应釜中，充以4MPa的高纯氮气，随后以局部点火方式来引发燃烧合成反应。
(4)产物粉体的获得：待降温后，释放反应釜内气体，取出产物氮化硅，得到疏松产物。进行检测得知其α相含量为89％，并得到其形貌照片。
实施例2
一种燃烧合成氮化硅粉体的方法，其具体步骤如下：
(1)按照质量百分比取下述原料：44％硅粉(纯度＞99％)、44％氮化硅粉稀释剂、12％水；
(2)粉体混合物的制备：将硅粉与氮化硅粉稀释剂及水均匀混合，得到反应物。
(3)燃烧反应的进行：将上述反应物置于模具中，之后将其放入燃烧合成反应釜中，充以1MPa的高纯氮气，随后以局部点火方式来引发燃烧合成反应。
(4)产物粉体的获得：待降温后，释放反应釜内气体，取出产物氮化硅。进行检测得知其α相含量为93％，并得到其形貌照片。
实施例3
一种燃烧合成氮化硅粉体的方法，其具体步骤如下：
(1)按照质量百分比取下述原料：40％硅粉(纯度＞99％)、57％氮化硅粉稀释剂、3％二氧化硅纳米粉；
(2)粉体混合物的制备：将硅粉与氮化硅粉稀释剂及二氧化硅纳米粉混合均匀得到反应物。
(3)燃烧反应的进行：将上述反应物置于模具中，之后将其放入燃烧合成反应釜中，充以4MPa的高纯氮气，随后以局部点火方式来引发燃烧合成反应。
(4)产物粉体的获得：待降温后，释放反应釜内气体，取出产物氮化硅。进行检测得知其α相含量为90％，并得到其形貌照片。
对比例1
不含添加剂燃烧合成氮化硅粉体，其具体步骤如下：
(1)粉体混合物制备：将硅粉(纯度＞99％)与氮化硅粉稀释剂按质量百分比40％：60％的比例均匀混合得到粉体混合物。
(2)燃烧反应的进行：将上述反应物立即布料于模具中，之后将其放入燃烧合成反应器中，充以4MPa的高纯氮气，随后以局部点火方式来引发燃烧合成反应。
(3)产物粉体的获得：待降温后，释放反应器内气体，取出产物氮化硅，得到产物。进行检测得知其α相含量为21％，并得到其形貌照片。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种燃烧合成氮化硅粉体的方法，其特征在于，以硅粉、氮化硅粉稀释剂和添加剂为原料，通过燃烧合成法制备氮化硅粉体，其中，所述添加剂为含SiO2物质、SiO和水中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉、氮化硅粉稀释剂和添加剂的质量百分比为：硅粉30％-60％，氮化硅粉稀释剂30-70％，添加剂1-20％，且所有原料质量之和为100％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含SiO2物质为硅溶胶、二氧化硅纳米粉或正硅酸乙酯水解产物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将硅粉与氮化硅粉稀释剂与添加剂均匀混合，制得反应物；将反应物置于模具中，并将模具置于反应釜中，在氮气压力下将反应物引燃，使其进行自蔓延反应；反应结束降温，取出产物，得到氮化硅粉体产物。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉粒径范围为0.1-15μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化硅粉稀释剂粒径范围为0.1-20μm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氮气压力为0.5-10MPa。
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