CN111115592B - 一种纳米氮化硅粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米氮化硅粉体的制备方法，属于陶瓷粉体制备技术领域。工艺过程为：(1)将正硅酸四乙酯、硝酸铵和水溶性有机物按照一定比例配制成混合溶液；(2)将混合溶液在不高于100℃的温度下加热搅拌至粘稠浆料；(3)将浆料在100℃‑400℃的非氧环境中反应得到前驱物；(4)将前驱物于1300℃‑1500℃的氮气气氛中反应1‑10h，得到氮化硅粉体；(5)随后在空气中除去多余碳。本发明工艺简单，效率高，成本低，得到的氮化硅粉体颗粒球形度好，粒度小于100nm。

Description

一种纳米氮化硅粉体的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷粉体制备技术领域，涉及一种纳米氮化硅粉体的制备方法。
背景技术
氮化硅是强共价键化合物，硬度大，强度高，热膨胀系数小，具有自润滑性，耐磨损，抗热震性能好，耐腐蚀，高温抗氧化能力强。在许多领域都存在应用。氮化硅常压下有两种晶形，α相氮化硅和β相氮化硅，高温下α相通常会转变为β相，因此通常使用α相氮化硅作为原料粉体制备氮化硅陶瓷。目前主要有三种方法制备氮化硅粉体，单质硅的直接氮化法，硅亚胺热解法和碳热还原法。单质硅的直接氮化法是工业中比较常见的方法，但是其反应温度往往接近单质硅的熔点，造成单质硅在高温下熔融，进而阻碍进一步氮化，同时合成的氮化硅粉体团聚严重，需要进一步研磨破碎，容易引入其他杂质。硅亚胺热解法制备氮化硅粉体其α相含量高，粒度分布窄。但是这种方法对设备要求高，生产工艺复杂，成本高。
碳热还原法制备氮化硅其方法简单，只需要二氧化硅和碳源在氮气中反应，即可生成氮化硅粉体，非常适合工业化生产。但是原料粒径、杂质等影响产品质量，特别是二氧化硅与碳源存在密度差，造成混料不均匀，氮化不完全。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种纳米氮化硅粉体的制备方法。利用水溶性有机物作为碳源，在溶液中将二氧化硅完全包裹，随后在氮气或氩气中不完全燃烧形成混合均匀的二氧化硅和碳的前驱物。并在氮气中进行碳热还原反应，得到的氮化硅粉体α相含量高，且粒径可控。
本发明包括如下具体步骤：
a.将正硅酸四乙酯在酒精中搅拌均匀，将硝酸铵和水溶性有机物在去离子水中溶解完全，随后将其倒入正硅酸四乙酯溶液中。
b.将混合溶液缓慢加热搅拌至粘稠浆料；
c.将浆料放入炉中100℃-400℃反应1-3h，并伴随流动的保护气体，其气体流量为0.1-1L/min。反应后得到二氧化硅和碳的混合物；
d.将得到的二氧化硅和碳的混合物在高温下通氮气反应得到氮化硅产物。
进一步地，步骤a中所述正硅酸四乙酯与水溶性有机物按照摩尔比1：(0.5-2)的比例；硝酸铵和水溶性有机物的摩尔比为1：(1-3)；水溶性有机物为葡萄糖、麦芽糖、可溶性淀粉、蔗糖、柠檬酸中的一种或多种；去离子水与酒精体积比为1：(0-3)。
进一步地，步骤b中所述加热温度为40-70℃。
进一步地，步骤c中所述保护气体为氮气或氩气的一种。
进一步地，步骤d中所述反应温度为1300℃-1500℃，反应时间为1-10h。
本发明的技术有以下的优势：
(1)混合溶液加热温度为40-70℃，可以调控二氧化硅粒径。
(2)混合溶液形成的浆料在流动的保护气体下发应，可以精确控制二氧化硅和碳的比例，得到混合均匀的前驱物。
(3)氮化温度在1300-1500℃进行，有效抑制β相氮化硅和其他物相生成。
综上所述，本发明提供的一种纳米氮化硅粉体的制备方法，工艺简单，效率高，成本较低，得到的氮化硅粉体颗粒球形度好，粒度小于100nm。更加适于实用，且具有产业上的利用价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类制备方法中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其在制备方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
附图说明
图1本发明实例1制备氮化硅粉体的XRD图谱
图2本发明实例1制备氮化硅粉体的TEM图谱
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种纳米氮化硅粉体的制备方法其具体实施方式、步骤、特征详细说明如后。
实施例1
1.称取正硅酸四乙酯1mol，葡萄糖1mol，硝酸铵1.5mol，将正硅酸四乙酯在酒精溶液中搅拌均匀，将葡萄糖和硝酸铵在去离子水中溶解完全，其中去离子水和酒精体积比为2:1；
2.将两种溶液混合搅拌均匀，加热至50℃并不断搅拌，直至形成粘稠浆料；
3.将浆料放入炉中300℃反应1h，并伴随流动氮气，其气体流量为0.2L/min。反应后得到二氧化硅和碳的混合物；
4.将得到的二氧化硅和碳的混合物在1450℃下通氮气反应6h得到氮化硅产物。
5.通过本方案制备得到的氮化硅粉体粒度为60nm。
实施例2
1.称取正硅酸四乙酯1mol，葡萄糖2mol，硝酸铵1.5mol，将正硅酸四乙酯在酒精溶液中搅拌均匀，将葡萄糖和硝酸铵在去离子水中溶解完全，其中去离子水和酒精体积比为2:1；
2.将两种溶液混合搅拌均匀，加热至50℃并不断搅拌，直至形成粘稠浆料；
3.将浆料放入炉中300℃反应1h，并伴随流动氮气，其气体流量为0.2L/min。反应后得到二氧化硅和碳的混合物；
4.将得到的二氧化硅和碳的混合物在1450℃下通氮气反应4h得到氮化硅产物。
5.通过本方案制备得到的氮化硅粉体粒度为50nm。
实施例3
1.称取正硅酸四乙酯1mol，葡萄糖1mol，硝酸铵1.5mol，将正硅酸四乙酯在酒精溶液中搅拌均匀，将葡萄糖和硝酸铵在去离子水中溶解完全，其中去离子水和酒精体积比为2:1；
2.将两种溶液混合搅拌均匀，加热至40℃并不断搅拌，直至形成粘稠浆料；
3.将浆料放入炉中350℃反应1.5h，并伴随流动氩气，其气体流量为0.1L/min。反应后得到二氧化硅和碳的混合物；
4.将得到的二氧化硅和碳的混合物在1400℃下通氮气反应6h得到氮化硅产物。
5.通过本方案制备得到的氮化硅粉体粒度为70nm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种纳米氮化硅粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将正硅酸四乙酯在酒精中搅拌均匀，将硝酸铵和水溶性有机物在去离子水中溶解完全，随后将其倒入正硅酸四乙酯溶液中；
b.步骤a中混合溶液加热搅拌至粘稠浆料；
c.将步骤b中浆料放入炉中100℃-400℃反应1-3h，并伴随流动的保护气体，其气体流量为0.1-1L/min；反应后得到二氧化硅和碳的混合物；
d.将步骤c中得到的二氧化硅和碳的混合物在高温下通氮气反应得到氮化硅产物；
步骤a中所述正硅酸四乙酯与水溶性有机物按照摩尔比1：(0.5-2)的比例；硝酸铵和水溶性有机物的摩尔比为1：(1-3)；水溶性有机物为葡萄糖、麦芽糖、可溶性淀粉、蔗糖、柠檬酸中的一种或多种；去离子水与酒精体积比为1：(0-3)；
步骤b中所述加热温度为40-70℃。
2.根据权利要求1所述的一种纳米氮化硅粉体的制备方法，其特征在于：步骤c中所述保护气体为氮气或氩气的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米氮化硅粉体的制备方法，其特征在于：步骤d中所述反应温度为1300℃-1500℃，反应时间为1-10h。
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