CN1799995A

CN1799995A - 一种层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法

Info

Publication number: CN1799995A
Application number: CN 200510130678
Authority: CN
Inventors: 葛昌纯; 王飞
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: CN100415641C

Abstract

本发明提供了一种层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法，属于无机非金属材料领域。将硅粉与氮化硅粉按不同比例进行研磨混合，得到所需的一组不同组分配比的反应混合物，干燥后以层状布料的方法置于燃烧合成反应装置内，充入1～20MPa含氮气体，经点火诱发燃烧合成反应，使反应混合物燃烧合成为均质氮化硅粉体。解决了常规燃烧合成方法制备氮化硅粉体时尤其是工业规模生产条件下的合成产物中不同部位物相成分和微观形貌不均匀的问题。并实现了节约能源、设备简单、成本低廉、易于操作、生产效率高，合成的氮化硅粉体纯度高、α相含量高，具有物相组成均匀一致、颗粒尺寸均匀细小的特点。

Description

一种层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，特别是提供了一种层状布料燃烧合成(Combustion Synthesis，CS)均质氮化硅粉体的方法。

背景技术

氮化硅是一种人工合成的非氧化物陶瓷。具有密度低、比重低、硬度高、强度高、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损、弹性模量大、耐高温，热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性和电绝缘性能好等特点，其力学性能和热学性能明显优于一般氧化物陶瓷。通过不同烧结工艺制造的氮化硅陶瓷制品和氮化硅基复相陶瓷制品可广泛应用于切削刀具、轴承、发动机部件，以及化工、冶金、机械、石油、电子、军工、航天航空、核能和轻工业所需的各种耐磨、耐热、耐蚀部件以及屏蔽材料、装甲材料等，是当代公认的最重要和最有应用潜力的耐热、高强、耐磨、耐腐蚀的工程陶瓷材料之一。

国内外研究开发的氮化硅粉体制备方法主要有硅粉直接氮化法、碳热还原氮化法、化学气相合成法、等离子体法和燃烧合成法。直接氮化法是将硅粉置于氮气(或氮气/氢气)流动气氛中，分几个阶段进行较长时间的保温，充分氮化即可获得氮化硅粉体。该法生产周期较长(40小时以上)，能源消耗较大，需要二次氮化，而且对原料纯度要求高，此外需要严格控制工艺参数如反应温度和氮气流量等。德国Starck公司、日本Denka公司用此法生产多种牌号的氮化硅粉体。碳热还原法存在反应速度慢，反应过程复杂，生产周期较长等缺点，同时也存在能耗大、效率低、产物中碳、氧等杂质含量高等问题化学气相合成法由于是气相反应，反应时气流容易控制，产物纯度高，粒度细。此法可制得α相含量最高达98％以上的氮化硅粉体，是目前公认最好的商品氮化硅粉，以日本UBE公司生产的粉体为代表。但该法工艺复杂，成本较高，且存在生产过程中的腐蚀问题和产物含氯量高的缺点。等离子体法是在等离子体发生器中通入等离子体工作气体(如N₂-H₂-Ar等)，通过等离子体电弧加热工作气体后注入含氮原料(如NH₃、N₂等)和含硅原料(如SiH₄、SiCl₄等)进行化学气相反应来制备氮化硅粉体。等离子体法直接制备的氮化硅大多是无定型氮化硅粉体，且含有氯化铵杂质，需要经过500℃以上脱除氯化铵杂质以及1400℃以上高温转相处理才能获得α相氮化硅粉体。等离子法也存在设备复杂，工艺过程繁琐等缺点，而且也需要较大的能源消耗。

燃烧合成技术(Combustion Synthesis，缩写CS)是近年来得到广泛研究和应用的材料合成制备新技术。燃烧合成也称为自蔓延高温合成(Self-propagatingHigh-temperature Synthesis，缩写SHS)。燃烧合成技术的基本特点是：利用外部提供必要的能量，诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应(这个过程称为点燃)，形成燃烧反应前沿(即燃烧波)，此后燃烧反应在自身放出热量的支持下，反应自持续进行(即自蔓延)，表现为燃烧波蔓延整个反应体系，在燃烧波蔓延前进的过程中，反应物转变成为合成材料。燃烧合成技术最突出的优点是反应迅速、节约能源、成本低廉、设备简单、合成产物纯度高等。所以迄今为止采用燃烧合成技术生产的产品已经发展到500种以上。对于氮-硅体系的燃烧合成而言，由于氮气和固相硅粉间的反应体系属于高放热体系(743.5KJ/mol)，可以在短时间内快速合成氮化硅粉体。而且由于原料价格低廉、易于获得，生产周期短，产品后续处理简单等特点，采用燃烧合成技术制备氮化硅粉体从二十世纪90年代以来就受到国内外材料研究者的高度重视和广泛研究。

涉及燃烧合成氮化硅粉体的国内外专利各有侧重，也分别存在各自的局限性。如俄罗斯的A.G.Merzhanov等发明的“高α相含量氮化硅的制备方法”(美国专利号US5032370)，其燃烧合成氮化硅粉体需要的氮气压力过高(最高达30MPa)，而且铵盐加入量过高(最高达硅粉重量的60％)，此外，在其使用的硅粉原料中加入了不同含量的无定型硅或硅亚胺，增加了原料成本。美国J.B Holt等发明的“以燃烧方法合成细晶α相氮化硅(美国专利号US4944930)采用碱金属的叠代物(如NaN₃等)作为氮源，其NaN₃使用量较多(约占反应物硅粉的50％)，不适用于大尺寸试样规模化生产。中国陈克新等发明的“一种低压燃烧合成高α相氮化硅粉体的方法”(中国专利申请号为02100183.9)采用悬浮氮化硅粉的技术，可以在较低的氮气压力下合成高α相氮化硅粉体。但在其使用的硅粉原料中也加入了不同含量的无定型硅或硅亚胺，而且生产设备和工艺流程较复杂，生产周期较长，能耗大，生产过程控制难度较大，最终导致生产成本过高。以上专利大多使用不同添加剂和工艺(如降低氮气压力等)，侧重于提高燃烧合成产物中的α相氮化硅含量，没有涉及燃烧合成产物结构和组成上的均匀性，尤其是燃烧合成粉体在物相组成、杂质含量、微观结构以及晶粒大小方面的均匀性。

对于燃烧合成氮化硅粉体而言，在单炉装料量较少(小于1Kg)的情况下燃烧合成产物结构和组成上的均匀性问题不太突出，但也存在分层或夹心现象，即由于粉坯内部燃烧温度过高而引起过烧，最终导致合成产物内部与产物外部物相组成相差较大的问题。在规模化生产的条件下(单炉装料量大于4Kg)，由于每次装料量较大，反应物粉坯内部和外层在发生燃烧合成自反应时的热量传递条件和氮气供给条件有很大不同，主要是由于反应物粉坯外层与氮气接触面积大，氮气渗透性好，因而氮化反应迅速，更主要的是由于反应物粉坯外层散热条件好，燃烧温度较低，适合于α相氮化硅的生成，控制不好的情况下有燃烧不完全的现象存在，而且容易有一定的游离硅。而反应物粉坯内部与氮气接触面积小，氮气渗透性差，因而氮化反应相对缓慢，易出现后氮化现象，再加上反应物粉坯内部散热条件差，反应释放的热量无法迅速散失，导致反应物粉坯内部燃烧温度较高，从而使高温稳定的β相氮化硅更容易生成。已经生成的α相氮化硅在高温下也容易发生相变转化为β相氮化硅。尤其重要的是，由于高温过烧，反应物内部经常出现难于破碎的致密硬块，这种过烧后的粉体烧结性能也相对较差。总之，由于装料量过多引起的燃烧合成反应过程中热量分布的不均匀易导致合成产物的不均匀性，主要体现在燃烧产物内部与外部在物相组成、杂质含量、微观结构以及晶粒大小方面的存在较大的不均匀性。这种合成产物的不均匀性现象在燃烧合成氮化硅粉体过程中经常出现，极大地影响了燃烧合成氮化硅粉体的生产效率和产品纯度，也增加了后续分离处理的困难，严重限制燃烧合成氮化硅粉体的大规模产业化生产应用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法，解决常规燃烧合成方法燃烧产物内部与外部在物相组成、杂质含量、微观结构以及晶粒大小方面的存在较大不均匀性的问题，使制备的氮化硅粉体产物物相组成均匀，烧结活性好，粉体颗粒细小均匀，杂质含量低，而且操作方便，设备简单，生产效率高。

本发明是以硅粉和惰性稀释剂氮化硅粉为原料，经研磨混合、干燥后，按不同组分配比配制得到一组不同组分配比的反应混合物，在多孔反应容器中进行层状布料，其布料方式为把反应混合物分为2～5层，每层中采用不同组分配比的反应混合物，各相邻层中硅粉重量与惰性稀释剂氮化硅粉重量的比例不同，根据采用的层数不同其硅粉和惰性稀释剂氮化硅组分变化幅度在1～50％之间，然后将布料后的多孔反应容器置于燃烧合成反应装置中，反应装置抽真空后充入氮气或氨气或氮气与其他气体(氨气、氩气、氟化氢、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氢气等)的混合气体，使燃烧合成反应装置中的气体压力控制在压力范围1～20MPa之内，然后点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，反应完成后其产物辅以细磨等后处理工艺即得到均质氮化硅粉体。

主要包括以下步骤：

1、配置不同组分的原料：

按重量比将硅粉40％～90％，惰性稀释剂氮化硅10％～60％按不同比例分别进行混合，得到一组不同组分配比的反应混合物；

其中所述的硅粉纯度为95～99.99％，优选纯度为97％以上，粒径范围为0.1～90μm，优选粒径0.1～30μm；

其中，所述的惰性稀释剂氮化硅可以通过燃烧合成方法或其他传统方法制备，纯度为90～99.9％，优选纯度为95％～99.9％；粒径范围为0.05～50μm，优选粒径0.05～10μm；氧含量为0.01～10％，优选氧含量为0.01～3％；α相含量为80～99.9％，优选α相含量为90％以上；

2、原料研磨混合：

将按照步骤1配制得到的一组不同组分配比的反应混合物在研磨设备上进行研磨混合；其中所述的研磨混合可以是空气气氛下或氮气气氛或氨气气氛下的湿法研磨或干法研磨；其中所述的湿法研磨介质可以是甲醇、乙醇、异丁醇、丙酮、水、液氮等其中的一种；

3、干燥反应混合物：

将按照步骤2研磨混合后的一组不同组分配比的反应混合物在干燥设备上进行干燥，干燥温度为30～90℃之间；

其中所述的干燥可以是在空气气氛或氮气气氛或真空条件下进行的干燥；

4、层状布料：

将按照步骤2、3充分研磨干燥后的一组不同组分配比的反应混合物根据多孔反应容器的大小和形状进行层状布料。其布料方式为把反应物料分为2～5层，每层中采用不同组分配比的反应混合物，布料后的反应物粉坯根据多孔反应容器的形状可以是圆柱状、半圆柱状等各种形状。各相邻层中硅粉重量与惰性稀释剂氮化硅粉重量的比例不同，根据采用的层数不同其每种组分变化幅度在1～50％之间；

其中所述的一组不同组分配比的反应混合物是指每份反应混合物中硅粉和惰性稀释剂氮化硅粉的重量的比例不同；

其中所述的多孔反应容器可以是碳毡、纸质材料、石棉布、多孔石墨、多孔陶瓷等其中的一种材料制成的任意形状的反应容器；

其中所述的多孔反应容器和反应物粉坯形状可以是圆柱状、半圆柱状、盘状、长方形、圆形等任意形状中的一种；

5、燃烧合成反应：

将按照步骤4进行层状布料后的多孔反应容器放入燃烧合成反应装置中，抽真空后，充入氮气或氨气或氮气与其他气体(氨气、氩气、氟化氢、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氢气等)的混合气体，使燃烧合成反应装置中的气体压力控制在适合压力范围(1～20MPa)之内，然后通过适当点火方式点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，燃烧合成反应持续几十分钟之后完成，冷却至室温并释放反应器内压力后，可以得到粉末状或松散的块状产物，经磨细分级等后处理工艺后得到均质氮化硅粉体；

其中所述的燃烧合成反应装置是指由不锈钢等材料制成的耐高温的高压容器，其容积为1～60升；

当使用氮气与其他气体的混合气体时，其中所述的其他气体为氨气、氩气、氟化氢、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氢气等的一种或其组合，其他气体占氮气体积的1～50％；

其中所述的气体压力范围为1～20MPa之间，优选2～15MPa之间；

其中所述的点火方式可以是电火花、电弧放电、钨丝、激光、微波、红外热源等点火方式中的一种；

其中所述的点火剂可以是Ti、Ti+C、Fe₃O₄+Al等点火剂中的一种。

其中所述的层状布料是指把反应物料分为2～5层，每层中采用不同组分配比的反应混合物。

其中所述的各相邻层中硅粉重量与惰性稀释剂氮化硅粉重量的比例不同，可以是以下组分变化中的一种：

(1)从反应物料中心层到中间层再到外表各层的反应物料中硅粉重量比例逐步增加1～50％，惰性稀释剂氮化硅粉重量比例保持不变；

(2)从反应物料中心层到中间层再到外表各层的反应物料中硅粉重量比例保持不变，惰性稀释剂氮化硅粉重量比例逐步减少1～50％；

(3)从反应物料中心层到中间层再到外表各层的反应物料中硅粉重量比例逐步增加1～50％，惰性稀释剂氮化硅粉重量比例逐步减少1～50％。

本发明提出的层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法，解决了常规燃烧合成法存在的由于热量散失和热量积聚条件不同而导致的反应混合物体系各部位的温度场分布不均的问题，克服了常规燃烧合成法存在的合成产物的成分和微观形貌不均匀性问题，尤其是合成产物内部物相组成、杂质含量、晶粒大小与晶粒形态相差较大的问题。针对反应混合物体系中不同部位温度场分布不均匀的特点，通过对反应混合物体系的成份设计和层状布料，充分利用了惰性稀释剂在燃烧合成反应过程中的吸热降温等促进作用，达到既能降低最高燃烧温度，又能控制反应混合物体系各部位的温度场分布的目的。最终使反应混合物体系各部位的反应温度都能够保持在同一水平上。在反应混合物体系中加入一定量的氮化硅作为惰性稀释剂，可以起到阻止反应时硅的熔融团聚从而增加氮气渗透性、降低燃烧温度以及作为晶种促进硅粉氮化等作用。

本发明与已有技术相比的优点：

1)本发明通过对反应混合物体系的成份设计和层状布料，实现了整体反应物近等温模式下硅粉的完全氮化，提高了燃烧合成产物中氮化硅粉体的均匀性，所合成的氮化硅粉体纯度高，相含量一致，烧结活性高。

2)本发明解决了常规燃烧合成过程中由于反应温度过高或反应混合物体系的温度场分布不均匀导致的反应不完全或合成产物的成分和微观形貌不均匀的问题，尤其是克服了合成产物存在分层和夹心现象的问题。通过对反应混合物体系的成份设计和层状布料，从原料配方角度调控整个反应混合物体系的温度场分布，有效地控制了燃烧合成反应过程及其反应温度，从而达到控制燃烧产物微观形貌和成分均匀性的目的，最终使燃烧合成的氮化硅粉体中不同部位具有物相组成均匀一致、颗粒尺寸均匀细小的特点。

3)本发明通过对反应混合物体系的成份设计和层状布料，提高了氮化硅粉体的产出率和产量合格率，避免了常规燃烧合成过程由于合成产物的成分和微观形貌不均匀而增加的后续分离精选工艺，能够稳定合成出纯度高，相含量一致、粒度分布均匀的氮化硅粉体。

4)能源消耗小，生产成本低。除诱发反应需要外加能源加热点燃点火剂外，燃烧合成均质氮化硅粉体依靠反应自身的热效应完成。因此本方法在降低能源消耗和生产成本方面具有优势。

5)反应时间短，生产效率高。整个燃烧合成反应过程迅速，反应时间根据原料重量、配比等一般为几分钟到几十分钟，生产周期短，能够节省生产工艺时间。

本发明提出的层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法，对燃烧合成反应装置及工艺过程没有特别限制，燃烧合成反应装置的大小依据生产能力确定。

附图说明

图1为实施例1所采用的层状布料反应物粉坯示意图，其中1为外表层，2为中间层，3为中心层。

图2为实施例2所采用的层状布料反应物粉坯示意图，其中1为上表层，2为中间层，3为下表层。

图3为实施例3所采用的层状布料反应物粉坯示意图，其中1为上表层，2为中间层，3为下表层。

图4为实施例4所采用的层状布料反应物粉坯示意图，其中1为中间层，2为外表层。

图5为实施例1燃烧合成产物中心部位取样的氮化硅粉体扫描电镜显微分析图。

图6为实施例1燃烧合成产物中心部位取样的氮化硅粉体X射线衍射图。

图7为实施例1燃烧合成产物表层区域取样的氮化硅粉体扫描电镜显微分析图。

图8为实施例1燃烧合成产物表层区域取样的氮化硅粉体X射线衍射图。

具体实施方式

实施例1

将平均粒径25μm的硅粉(纯度大于98.5％)与平均粒径2.2μm的氮化硅粉体(纯度大于96％，α相含量93％左右)，分别按照不同重量比(本实施例中为三种配料比)配料后在滚筒球磨机的球磨罐中球磨72小时进行研磨混合，得到三份不同组分配比的反应混合物，即反应混合物A(配料比为Si∶Si₃N₄＝45∶55)、反应混合物B(配料比为Si∶Si₃N₄＝47.5∶52.5)和反应混合物C(配料比为Si∶Si₃N₄＝50∶50)，反应混合物A、B、C总重量为4.8千克。将反应混合物A、B、C分别放入电热烘箱中于70℃进行干燥。再将这三份不同组分配比的反应混合物在圆柱状多孔石墨坩埚中按照附图1所示进行层状布料，即圆柱状反应物粉坯的中心层采用反应混合物A，中心层采用反应混合物B，而外表层采用反应混合物C。将布粉后的圆柱状多孔石墨坩埚放入60升燃烧合成反应装置内，在圆柱状反应物粉坯的一端安放绕成螺旋状的钨丝做点火源。抽真空后，在燃烧合成反应装置内部充入氮气，直到氮气压力达到9MPa。给螺旋状钨丝通以脉冲电流，点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，点火剂为钛粉。诱发原料粉体燃烧，燃烧反应结束后，冷却至室温，卸压排放燃烧合成反应装置内的氮气，得到的燃烧合成产物整体色泽均匀，没有分层和夹心现象，辅以细磨等后处理工艺即得到纯度为98.5％、α相氮化硅含量为96wt％、游离硅为0.06wt％、平均粒径为0.8μm的均质氮化硅粉体。

本实施例中未进行细磨等后处理工艺的燃烧合成产物中心部位取样的氮化硅粉体采用X射线荧光分析分析其化学成分为：Si(59.53wt％)，N(39.03％)，Fe(0.0352wt％)，Ca(0.045wt％)，Al(0.0343wt％)，C(0.16wt％)，O(1.16wt％)。采用X射线衍射分析法定量计算其α相氮化硅含量为96.52wt％。其扫描电镜显微分析图和X射线衍射图见附图5、6。表层区域取样的氮化硅粉体采用X射线荧光分析法分析其化学成分为：Si(59.47wt％)，N(38.96％)，Fe(0.0448wt％)，Ca(0.049wt％)，Al(0.0292wt％)，C(0.1wt％)，O(1.34wt％)。采用X射线衍射分析法定量计算其α相氮化硅含量为96.62wt％。其扫描电镜显微分析图和X射线衍射图见附图7、8。由以上分析结果可知，本实施例中燃烧合成产物中心部位和表层区域取样的氮化硅粉体的化学成分一致，物相组成相同，α相氮化硅含量接近，颗粒尺寸和微观形貌相似，具备均质氮化硅粉体的特点。

实施例2

本实施例采用的原料为平均粒径17μm的硅粉(纯度大于98.5％)与平均粒径1.5μm的氮化硅粉体(纯度大于98％，α相含量95％左右)。分别按照不同重量比进行配料并研磨混合，得到三份不同组分配比的反应混合物，即反应混合物A(配料比为Si∶Si₃N₄＝45∶55)、反应混合物B(配料比为Si∶Si₃N₄＝50∶50)和反应混合物C(配料比为Si∶Si₃N₄＝55∶45)，反应混合物A、B、C总重量为1.2千克。上述对这三份反应混合物的研磨混合按以下方式进行：先把硅粉在搅动球磨机的球磨桶中以无水乙醇为球磨介质球磨10小时进行研磨混合，然后再加入惰性稀释剂氮化硅粉后在振动磨上研磨混合0.5小时。后在电热烘箱中于80℃进行干燥。再将这三份不同组分配比的反应混合物在长方形纸质容器中按照附图2所示进行层状布料，即长方形反应物粉坯的中心层采用反应混合物A，下表层采用反应混合物B，而上表层采用反应混合物C。将布粉后的长方形纸质容器放入10升燃烧合成反应装置内，在长方形反应物粉坯的一端安放绕成螺旋状的钨丝做点火源。抽真空后，在燃烧合成反应装置内部充入氮气和氢气的混合气体，其中氢气所占比例为20vol％，直到气体压力达到10MPa。给螺旋状钨丝通以脉冲电流，点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，点火剂为钛粉和碳黑的混合物。诱发原料粉体燃烧，燃烧反应结束后，冷却至室温，卸压排放燃烧合成反应装置内的氮气，得到的燃烧合成产物整体色泽均匀，没有分层和夹心现象，辅以细磨等后处理工艺即得到纯度为98％、α相氮化硅含量为97wt％、游离硅为0.07wt％、平均粒径为1μm的均质氮化硅粉体。

实施例3

本实施例采用的原料为平均粒径5μm的硅粉(纯度大于98.5％)与平均粒径3μm的氮化硅粉体(纯度大于96％，α相含量90％左右)。分别按照不同重量比进行配料并研磨混合，得到三份不同组分配比的反应混合物，即反应混合物A(配料比为Si∶Si₃N₄＝42.5∶57.5)、反应混合物B(配料比为Si∶Si₃N₄＝47.5∶52.5)和反应混合物C(配料比为Si∶Si₃N₄＝52.5∶47.5)，反应混合物A、B、C总重量为5千克。上述对这三份反应混合物的研磨混合按以下方式进行：先把硅粉在搅动球磨机的球磨桶中以无水乙醇为球磨介质球磨6小时进行研磨混合，后在真空烘箱中于60℃进行干燥。再把惰性稀释剂氮化硅粉在搅动球磨机的球磨桶中以丙酮为球磨介质球磨6小时进行研磨混合，后在真空烘箱中于40℃进行干燥。然后再混合干燥后的硅粉与惰性稀释剂氮化硅粉于振动磨上研磨混合2小时。再将这三份不同组分配比的反应混合物在圆形碳毡中按照附图3所示进行层状布料，即圆形反应物粉坯的中心层采用反应混合物A，下表层采用反应混合物B，而上表层采用反应混合物C。将布粉后的圆形碳毡放入60升燃烧合成反应装置内，在圆形反应物粉坯的一端安放一个长条形石墨片做点火源。抽真空后，在燃烧合成反应装置内部充入氮气，直到气体压力达到8MPa。给石墨片通以脉冲电流，点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，点火剂为钛粉。诱发原料粉体燃烧，燃烧反应结束后，冷却至室温，卸压排放燃烧合成反应装置内的氮气，得到的燃烧合成产物整体色泽均匀，没有分层和夹心现象，辅以细磨等后处理工艺即得到纯度为98％、α相氮化硅含量为93wt％、游离硅为0.1wt％、平均粒径为1.2μm的均质氮化硅粉体。

实施例4

本实施例采用的原料为平均粒径10μm的硅粉(纯度大于98.5％)与平均粒径1μm的氮化硅粉体(纯度大于98％，α相含量95％左右)。分别按照不同重量比进行配料并研磨混合，得到2份不同组分配比的反应混合物，即反应混合物A(配料比为Si∶Si₃N₄＝46∶54)和反应混合物B(配料比为Si∶Si₃N₄＝52∶48)，反应混合物A、B总重量为4千克。上述对这2份反应混合物的研磨混合按以下方式进行：先把硅粉在搅动球磨机的球磨桶中以无水乙醇为球磨介质球磨12小时进行研磨混合，然后再加入惰性稀释剂氮化硅粉后继续在滚筒球磨机的球磨桶中球磨3小时，在电热烘箱中于65℃进行干燥。再将这2份不同组分配比的反应混合物在石棉布中按照附图4所示进行层状布料，即反应物粉坯的中间层采用反应混合物A，外表层采用反应混合物B。将布粉后的石棉布放入60升燃烧合成反应装置内，在反应物粉坯的一端安放绕成螺旋状的钨丝做点火源。抽真空后，在燃烧合成反应装置内部充入氮气，直到气体压力达到10MPa。给绕成螺旋状的钨丝通以脉冲电流，点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，点火剂为钛粉。诱发原料粉体燃烧，燃烧反应结束后，冷却至室温，卸压排放燃烧合成反应装置内的氮气，得到的燃烧合成产物整体色泽均匀，没有分层和夹心现象，辅以细磨等后处理工艺即得到纯度为98％、α相氮化硅含量为98wt％、游离硅为0.06wt％、平均粒径为0.8μm的均质氮化硅粉体。

虽然本发明已以较佳实施例对发明内容进行了阐释如上，但这些实施例并非用以对本发明的范围加以限制。任何了解并已熟悉本发明所述工艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，有可能做某些更改和润饰，因此本发明的保护范围当以所附权利要求所界定的内容为准。

Claims

1、一种层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法，其特征在于：以硅粉和惰性稀释剂氮化硅粉为原料，经研磨混合、干燥后，按不同组分配比配制得到一组反应混合物，在多孔反应容器中进行层状布料，其布料方式为把反应混合物分为2～5层，每层中采用不同组分配比的反应混合物，各相邻层中硅粉重量与惰性稀释剂氮化硅粉重量的比例不同，根据采用的层数不同其硅粉和惰性稀释剂氮化硅组分变化幅度在1～50％之间，然后将布料后的多孔反应容器置于燃烧合成反应装置中，反应装置抽真空后充入氮气或氨气或氮气与其他气体的混合气体，使燃烧合成反应装置中的气体压力控制在压力范围1～20MPa之内，然后点燃点火剂诱发反应混合物进行燃烧合成反应，反应完成后，其产物辅以细磨，得到均质氮化硅粉体；所述的其他气体为氨气、氩气、氟化氢、氯化氢、溴化氢、碘化氢、氢气。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的一组不同组分配比的反应混合物是按重量比将硅粉40％～90％，惰性稀释剂氮化硅10％～60％进行混合，得到一组不同组分配比的反应混合物；其中，硅粉纯度为95～99.99％，粒径范围为0.1～90μm，；所述的惰性稀释剂氮化硅纯度为90～99.9％；粒径范围为0.05～50μm；氧含量为0.01～10％，α相含量为80～99.9％。

3、根据权利要求1、2所述的方法，其特征在于：研磨混合反应混合物是将配制得到的一组不同组分配比的反应混合物在研磨设备上进行研磨混合；，研磨混合是空气气氛下或氮气气氛或氨气气氛下的湿法研磨或干法研磨；研磨介质为甲醇、乙醇、异丁醇、丙酮、水、液氮中的一种；干燥反应混合物是将研磨混合后的一组不同组分配比的反应混合物在干燥设备上进行干燥，干燥温度为30～90℃之间；干燥在空气气氛或氮气气氛或真空条件下进行。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的多孔反应容器为碳毡、纸质材料、石棉布、多孔石墨、多孔陶瓷中的一种材料制成的反应容器；多孔反应容器和反应物粉坯形状为圆柱状、半圆柱状、盘状、长方形、圆形中的一种。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的燃烧合成反应装置由不锈钢等材料制成的耐高温的高压容器，其容积为1～60升；当使用氮气与其他气体的混合气体时，其他气体占氮气体积的1～50％；所述的点燃采用电火花、电弧放电、钨丝、激光、微波、红外热源点火方式中的一种；点火剂为Ti、Ti+C、Fe₃O₄+Al点火剂中的一种。