一種氮化硅粉體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明具體涉及一種氮化硅粉體及其制備方法。其技術(shù)方案是：先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1︰(50~80)混合，攪拌，超聲分散，制得懸浮液；以Si與Co的質(zhì)量比為1︰(0.005~0.05)向所述懸浮液中加入0.88mol/L水溶性鈷鹽，制得混合液；然后在氮?dú)鈿夥蘸捅〉臈l件下向所述混合液中加入還原劑，還原劑與Co的摩爾比為(2~5)︰1，攪拌；再將還原后的混合液抽濾，真空干燥，制得混合粉體；最后將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障律郎刂?200~1350℃，保溫2~8h，即得氮化硅粉體。本發(fā)明具有氮化合成溫度低、成本低、氮化周期短、合成工藝簡(jiǎn)單、易于控制和產(chǎn)率高的特點(diǎn)；所制備的氮化硅粉體粒徑小、部分為晶須狀和純度高。
【專利說明】一種氮化硅粉體及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氮化物粉體【技術(shù)領(lǐng)域】。具體涉及一種氮化硅粉體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、高的強(qiáng)度和硬度，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電子和軍工等行業(yè)。目前氮化硅的制備方法主要有:硅粉直接氮化法、碳熱還原二氧化硅法、自蔓延法、熱分解法、高溫氣相反應(yīng)法、激光氣相反應(yīng)法和等離子體氣相反應(yīng)法等。
[0003]硅粉直接氮化法為常用工業(yè)生產(chǎn)氮化硅的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。但也存在以下的問題，如:需要在1400°C以上長(zhǎng)時(shí)間保溫，燒成溫度較高，氮化周期長(zhǎng)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重；并且氮化產(chǎn)物形貌很難控制，不能獲得晶須狀氮化硅。
[0004]碳熱還原二氧化硅法使用SiO2和C作為原料，成本低廉，能適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)。但SiO2難以被完全還原氮化，且反應(yīng)中會(huì)生成SiC等雜質(zhì)，反應(yīng)需在1400-1550°c的高溫下進(jìn)行。
[0005]自蔓延法制備氮化硅粉末具有節(jié)能和省時(shí)的特點(diǎn)，生產(chǎn)的氮化硅粉末也具有較高的純度。但該方法對(duì)設(shè)備的要求較高，因此也導(dǎo)致了較高的生產(chǎn)成本，難以用來大規(guī)模工業(yè)
生產(chǎn)氮化硅。
[0006]熱分解法需在140(Tl600 °C條件下熱分解固態(tài)亞胺基硅(Si (NH2))和胺基硅(Si (NH2)4),進(jìn)而制得a -Si3N4粉末，是一種高產(chǎn)率的制備高純度Si3N4方法。熱分解法制得的氮化硅粉末純度高、粒徑小、燒結(jié)性能好，但成本高且需要復(fù)雜的設(shè)備和反應(yīng)制度，限制了該工藝的工業(yè)應(yīng)用。
[0007]高溫氣相反應(yīng)法、激光氣相反應(yīng)法和等離子體氣相反應(yīng)法雖能在短時(shí)間內(nèi)制得高純氮化硅粉末，但成本高且存在腐蝕問題，不易于工業(yè)生產(chǎn)。
[0008]總之，目前的氮化硅粉體制備技術(shù)都存在一定的不足:成本高，反應(yīng)溫度高，氮化周期長(zhǎng)，純度低，工藝過程復(fù)雜，不易控制，粉體不呈晶須狀等，極大地限制了氮化硅粉體的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種反應(yīng)溫度低、成本低、氮化周期短、工藝過程簡(jiǎn)單、易于控制和產(chǎn)率高的氮化硅粉體的制備方法。用該方法制備的氮化硅粉體純度高、粉體粒徑小和部分為晶須狀。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的制備步驟是:
步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0011]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.005、.05)向所述懸浮液中加入0.88mol/L水溶性鈷鹽，制得混合液。
[0012]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩?，在冰水浴條件下向所述混合液中加入還原劑，還原劑與Co的摩爾比為(2飛~5):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥10~12h，制得混合粉體。[0013]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?~8°C /min的升溫速率升至1200~l350°C，保溫2~8h，即得氮化硅粉體。
[0014]所述娃粉中的Si含量≥95wt%,粒徑≤ 88 μ m。
[0015]所述水溶性鈷鹽為氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷中的一種，氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷的純度均為分析純。
[0016]所述還原劑為硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼中的一種，硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼純度為分析純或?yàn)楣I(yè)純。
[0017]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果和突出特點(diǎn):
1、本發(fā)明采用鈷納米顆粒作為催化劑，催化硅粉氮化。硅粉在120(Tl35(rC下完全氮化。故本發(fā)明產(chǎn)率高、合成溫度低和氮化周期短；
2、本發(fā)明利用納米顆?？刂凭ы毶L(zhǎng)，所得氮化硅顆粒粒徑小，晶須的直徑為8(Tl00nm，長(zhǎng)徑比為(150-200): I ;合成的晶須為氮化硅；
3、本發(fā)明在反應(yīng)過程僅引入微量的納米催化劑，無其他雜質(zhì)，產(chǎn)品純度高；
4、本發(fā)明的原料來源廣泛和價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低，具有很大的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)前景。
[0018]因此，本發(fā)明具有氮化合成溫度低、成本低、氮化周期短、合成工藝簡(jiǎn)單、易于控制和產(chǎn)率高的特點(diǎn)；所制備的氮化硅粉體粒徑小、部分為晶須狀和純度高，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的前景大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明制備的一種氮化硅粉體的XRD圖譜；
圖2為圖1所示氮化娃粉體的SEM圖；
圖3是圖2箭頭所指位置的EDS圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。
[0021]為避免重復(fù)，先將本【具體實(shí)施方式】所涉及的原料統(tǒng)一描述如下，實(shí)施例中不再贅述:
所述硅粉中的Si含量≥95wt%，粒徑≤88 μ m。
[0022]所述氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷的純度均為分析純。
[0023]所述硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼純度為分析純或?yàn)楣I(yè)純。
[0024]實(shí)施例1
一種氮化硅粉體及其制備方法。制備步驟是:
步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌20~30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0025]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.005~0.02)向所述懸浮液中加入0.88mol/L硫酸鈷，制得混合液。[0026]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩?，在冰水浴條件下向所述混合液中加入次磷酸鈉，次磷酸鈉與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥l(Tl2h，制得混合粉體。
[0027]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?~4°C /min的升溫速率升至120(Tl25(rC，保溫2~4h，即得氮化硅粉體。
[0028]實(shí)施例2
一種氮化硅粉體及其制備方法。制備步驟是:
步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0029]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.005、.02)向所述懸浮液中加入0.88mol/L氯化鈷，制得混合液。
[0030]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩?，在冰水浴條件下向所述混合液中加入次磷酸鈉，次磷酸鈉與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥l(Tl2h，制得混合粉體。
[0031]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?~4°C /min的升溫速率升至125(Tl30(rC，保溫2~4h，即得氮化硅粉體。
[0032]實(shí)施例3
一種氮化硅粉體及其制備方法。制備步驟是:
步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0033]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.02~0.035)向所述懸浮液中加入0.88mol/L氯化鈷，制得混合液。
[0034]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩校诒l件下向所述混合液中加入硼氫化鈉，硼氫化鈉與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥l(Tl2h，制得混合粉體。
[0035]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?~6°C /min的升溫速率升至130(Tl35(rC，保溫4~6h，即得氮化硅粉體。
[0036]實(shí)施例4
一種氮化硅粉體及其制備方法。制備步驟是:
步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0037]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.02~0.035)向所述懸浮液中加入0.88mol/
L硝酸鈷，制得混合液。
[0038]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩?，在冰水浴條件下向所述混合液中加入硼氫化鈉，硼氫化鈉與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥l(Tl2h，制得混合粉體。
[0039]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?~6°C /min的升溫速率升至125(Tl30(rC，保溫4~6h，即得氮化硅粉體。
[0040]實(shí)施例5一種氮化硅粉體及其制備方法。制備步驟是:
步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0041]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.035、.05)向所述懸浮液中加入0.88mol/L硝酸鈷，制得混合液。
[0042]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩?，在冰水浴條件下向所述混合液中加入水合肼，水合肼與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥10~12h，制得混合粉體。
[0043]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?l°C /min的升溫速率升至120(Tl30(rC，保溫6~8h，即得氮化硅粉體。
[0044]實(shí)施例6
一種氮化硅粉體及其制備方法。制備步驟是: 步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散20~30min,制得懸浮液。
[0045]步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.035、.05)向所述懸浮液中加入0.88mol/L硫酸鈷，制得混合液。
[0046]步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩?，在冰水浴條件下向所述混合液中加入水合肼，水合肼與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥10~12h，制得混合粉體。
[0047]步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?l°C /min的升溫速率升至125(Tl35(TC，保溫6~8h，即得氮化硅粉體。
[0048]本【具體實(shí)施方式】與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果和突出特點(diǎn):
1、本【具體實(shí)施方式】采用鈷納米顆粒作為催化劑，催化硅粉氮化。圖1為實(shí)施例3所制備的一種氮化硅粉體的XRD圖譜，該XRD圖譜中僅有氮化硅的衍射峰，說明硅粉在該溫度下已完全氮化。結(jié)果表明本【具體實(shí)施方式】產(chǎn)率高、合成溫度低和氮化周期短；
2、本【具體實(shí)施方式】利用納米顆?？刂凭ы毶L(zhǎng)，圖2為圖1所述氮化硅粉體的SEM圖片，從圖2可以看出，所得氮化硅顆粒粒徑小，晶須的直徑為8(Tl00nm，長(zhǎng)徑比為(150^200): I;圖3為圖2箭頭所指部位的EDS圖譜，表明合成的晶須為氮化硅；
3、本【具體實(shí)施方式】在反應(yīng)過程僅引入微量的納米催化劑，無其他雜質(zhì)，產(chǎn)品純度高；
4、本【具體實(shí)施方式】的原料來源廣泛和價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低，具有很大的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)前景。
[0049]因此，本【具體實(shí)施方式】具有氮化合成溫度低、成本低、氮化周期短、合成工藝簡(jiǎn)單、易于控制和產(chǎn)率高的特點(diǎn)；所制備的氮化硅粉體粒徑小、部分為晶須狀和純度高，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的前景大。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化硅粉體的制備方法，其特征在于所述制備方法的步驟是: 步驟一、先將硅粉與蒸餾水以固液質(zhì)量比為1: (50-80)混合，攪拌2(T30min，再超聲分散2(T30min,制得懸浮液； 步驟二、以Si與Co的質(zhì)量比為1: (0.005、.05)向所述懸浮液中加入0.88mol/L水溶性鈷鹽，制得混合液； 步驟三、將所述混合液置于氮?dú)鈿夥罩校诒l件下向所述混合液中加入還原劑，還原劑與Co的摩爾比為(2飛):1，攪拌0.5~lh;再將還原后的混合液抽濾，真空干燥10~12h，制得混合粉體； 步驟四、將所述混合粉體置于管式氣氛爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障乱?l°C /min的升溫速率升至120(Tl35(rC，保溫2~8h，即得氮化硅粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1氮化硅粉體的制備方法，其特征在于所述硅粉中的Si含量^ 95wt%,粒徑< 88 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1氮化硅粉體的制備方法，其特征在于所述水溶性鈷鹽為氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷中的一種，氯化鈷、硫酸鈷和硝酸鈷的純度均為分析純。
4.根據(jù)權(quán)利要求1氮化硅粉體的制備方法，其特征在于所述還原劑為硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼中的一種，硼氫化鈉、次磷酸鈉和水合肼純度為分析純或?yàn)楣I(yè)純。
5.一種氮化硅粉體，其特征在于所述氮化硅粉體是根據(jù)權(quán)利要求f 4項(xiàng)中任一項(xiàng)所述氮化硅粉體的制備方法所制備的氮化硅粉體。
【文檔編號(hào)】C04B35/584GK103496679SQ201310489972
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】張海軍, 古亞軍, 張少偉, 李發(fā)亮, 魯禮林 申請(qǐng)人:武漢科技大學(xué)