專利名稱：一種氮化硅納米材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米材料技術領域，具體涉及一種氮化硅納米材料的制備方法。
背景技術：
氮化硅是一種以共價鍵連接的原子晶體，化學式為Si3N4，是一種重要的結構陶瓷材料。它是一種超硬物質，本身具有潤滑性，并且耐磨損，高溫抗氧化，而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000°c以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來制造軸承、氣輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構件。如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化硅陶瓷來制造發(fā)動機部件的受熱面，不僅可以提高柴油機質量，節(jié)省燃料，而且能夠提高熱效率。
氮化硅具有極高的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕，因此被廣泛的應用于化工，機械及其他工業(yè)領域，例如作為液體輸送的球閥、泵體、燃燒汽化器、過濾器等；同時又是一種高性能電絕緣材料，其相對介電常數為7.0，可以應用于電力電子行業(yè)。目前合成氮化硅陶瓷的主要方式為，先用通常成型的方法做成所需的形狀，在氮氣中及1200°C的高溫下進行初步氮化，使其中一部分硅粉與氮反應生成氮化硅，這時整個坯體已經具有一定的強度；然后在1350°C 1450°C的高溫爐中進行第二次氮化，反應成氮化硅。成型方法有1、反應燒結法；2、熱壓燒結法；3、常壓燒結法；4、氣壓燒結法。這些方法最終形成的氮化硅為體型，然后采用粉碎，球磨等工藝將其制備成粉體。但是當氮化硅被用作隔熱材料，過濾材料，催化劑載體材料，吸聲材料，隔膜材料，當采用體型或者粉末氮化硅材料，對其性能的發(fā)揮會產生極大限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種具有三維拓撲結構的氮化硅納米材料的制備方法，制備的氮化硅納米材料以氮化硅作為骨架材料，微氣孔貫穿于氮化硅中，微氣孔的存在使得該材料具有較低的密度，較高的比表面積，從而克服了體型及粉末氮化硅納米材料的缺點，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種氮化硅納米材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 I 4 ;步驟二、先以5cm3/s 20cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣IOmin 20min,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以5°C /min 10°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至300°C 500°C，保溫2h 6h ;
步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下5°C /min 200C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至1400°C 1800°C，然后保溫Ih 3h ;步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，冷卻后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。上述的一種氮化娃納米材料的制備方法,步驟二中所述通氣速率為7cm3/s 15cm3/s。本發(fā)明中所涉及的有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備方法已于2011年5月4日在公開號為CN 102040791A，名稱為“一種有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備方法”的專利中公開，其制備方法具體為步驟一、將去離子水與模數為2. O 3. 4的水玻璃按I : I 3的體積比混合，在
攪拌速率為200轉/分鐘 500轉/分鐘的條件下攪拌并加熱至80°C 90°C，然后沉降24h 48h，取上清液；步驟二、將引發(fā)劑、有機聚合單體和無機酸混合均勻，得到預置液，所述預置液中引發(fā)劑的質量百分數為O. 1% 5%，有機聚合單體的質量百分數為45% 99%，無機酸為余量；或將引發(fā)劑與有機聚合單體混合均勻，得到預置液，所述預置液中引發(fā)劑的質量百分數為O. 1% 5%，有機聚合單體為余量；所述引發(fā)劑為過硫酸銨和/或偶氮類化合物，所述有機聚合單體為丙烯酸類與丙烯酸酯類的混合物，所述丙烯酸類為丙烯酸和/或甲基丙烯酸，所述丙烯酸酯類為丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯中的一種或幾種，所述無機酸為鹽酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一種或幾種；所述無機酸的質量濃度為10%;步驟三、在氮氣或惰性氣體的保護下，將步驟一中所述上清液加熱至55°C 95°C，然后在攪拌速率為100轉/分鐘 300轉/分鐘的條件下緩慢滴加步驟二中所述預置液形成混合溶液，待混合溶液轉變?yōu)槟z狀物質時停止滴加；所述惰性氣體為氬氣或氦氣;步驟四、將步驟三中所述凝膠狀物質陳化8h 24h，然后抽濾；步驟五、將步驟四中所述抽濾后的凝膠狀物質用去離子水洗滌，然后抽濾；步驟六、將步驟五中經抽濾后的凝膠狀物質或將重復步驟五多次后的凝膠狀物質置于烘箱中，在溫度為80°C 120°C的條件下烘干；將烘干后的凝膠狀物質粉碎即得到有機聚合物/二氧化硅復合吸聲隔熱材料。本發(fā)明與現有技術相比具有以下優(yōu)點I、本發(fā)明采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，前軀體為具有孔洞的多孔材料，通過控制合適的處理溫度和時間，保證處理過程中孔洞結構不受破壞，使得最終制備的氮化硅納米材料同樣具有孔洞，為均勻的立體網狀結構。2、采用本發(fā)明的方法制備的氮化硅納米材料具有三維拓撲結構，該材料以氮化硅作為骨架材料，微氣孔貫穿于氮化硅中，微氣孔的存在使得該材料具有較低的密度，較高的比表面積，從而克服了體型及粉末氮化硅納米材料的缺點，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景。下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案作進一步的詳細說明。


圖I為本發(fā)明實施例I制備的氮化硅納米材料的SEM圖。
具體實施例方式實施例I有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備步驟一、將去離子水與模數為3. 2的水玻璃按I : I的體積比混合，在攪拌速率為200轉/分鐘的條件下攪拌并加熱至80°C，然后沉降24h，取上清液；步驟二、將引發(fā)劑、有機聚合單體和無機酸混合均勻，得到預置液；所述引發(fā)劑為過硫酸銨，所述有機聚合單體為丙烯酸、丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸甲酯，所述無機酸為鹽酸，所述無機酸的質量濃度為10% ;所述預置液中引發(fā)劑的質量百分數為O. 1%，有機聚合單體的質量百分數為99%，無機酸為余量；
步驟三、在氮氣的保護下，將步驟一中所述上清液加熱至55°C，然后在攪拌速率為100轉/分鐘的條件下緩慢滴加步驟二中所述預置液形成混合溶液，待混合溶液轉變?yōu)槟z狀物質時停止滴加；步驟四、將步驟三中所述凝膠狀物質陳化8h，然后抽濾；步驟五、將步驟四中所述抽濾后的凝膠狀物質用去離子水洗滌，然后抽濾；步驟六、將步驟五中經抽濾后的凝膠狀物質置于烘箱中，在溫度為80°C的條件下烘干；將烘干后的凝膠狀物質粉碎即得到有機聚合物/二氧化硅復合吸聲隔熱材料，制備的有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 2。氮化硅納米材料的制備步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 2；步驟二、先以10cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣15min,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以7 V /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至400°C，保溫3h，此階段前軀體中有機聚合物發(fā)生分解產生具有高反應活性的碳；步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下以10°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至160(TC，然后保溫2h，此階段發(fā)生如下化學反應3Si02+6C+2N2 — Si3N4+6C0 ；步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，待高溫加熱爐爐體冷卻至常溫后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。圖I為本實施例制備的氮化硅納米材料的SEM圖，從圖中可以看出，該材料含有大量不同孔徑的孔洞，部分孔洞為閉孔，部分為開孔結構，孔洞之間相互貫通，而氮化硅為骨架材料，沿著孔洞方向生長，形成三維拓撲結構，同時也為孔洞的形成提供了物質條件。本實施例制備的氮化硅納米材料的比表面積為75m2/g，松裝密度為O. 83g/cm3，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景，將該材料壓為厚度為Icm的吸聲板材，測量其吸聲系數為O. 33。實施例2有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備
步驟一、將去離子水與水玻璃按I : 2的體積比混合，在攪拌速率為350轉/分鐘的條件下攪拌并加熱至85°C，然后沉降48h，取上清液；步驟二、將引發(fā)劑、有機聚合單體和無機酸混合均勻，得到預置液；所述引發(fā)劑為過硫酸銨，所述有機聚合單體為丙烯酸、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯，所述無機酸為鹽酸，所述無機酸的質量濃度為10%;所述預置液中引發(fā)劑的質量百分數為5%，有機聚合單體的質量百分數為45%,無機酸為余量；步驟三、在氮氣或惰性氣體的保護下，將步驟一中所述上清液加熱至75°C，然后在攪拌速率為300轉/分鐘的條件下緩慢滴加步驟二中所述預置液形成混合溶液，待混合溶液轉變?yōu)槟z狀物質時停止滴加；步驟四、將步驟三中所述凝膠狀物質陳化16h，然后抽濾；步驟五、將步驟四中所述抽濾后的凝膠狀物質用去離子水洗滌，然后抽濾； 步驟六、將步驟五中經抽濾后的凝膠狀物質或重復步驟五多次后的凝膠狀物質置于烘箱中，在溫度為100°c的條件下烘干；將烘干后的凝膠狀物質粉碎即得到有機聚合物/二氧化硅復合吸聲隔熱材料，制備的有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 3。氮化硅納米材料的制備步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 3；步驟二、先以7cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣12min,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以6°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至350°C，保溫5h，此階段前軀體中有機聚合物發(fā)生分解產生具有高反應活性的碳；步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下以8V /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至150(TC，然后保溫2. 5h，此階段發(fā)生如下化學反應3Si02+6C+2N2 — Si3N4+6C0 ；步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，待高溫加熱爐爐體冷卻至常溫后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。本實施例制備的氮化娃納米材料具有三維拓撲結構,其比表面積為79m2/g,松裝密度為O. 81g/cm3，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景，將該材料壓為厚度為Icm的吸聲板材，測量器吸聲系數為O. 36。實施例3有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備步驟一、將去離子水與水玻璃按I : I的體積比混合，在攪拌速率為200轉/分鐘的條件下攪拌并加熱至80°C，然后沉降24h，取上清液；步驟二、將引發(fā)劑和有機聚合單體混合均勻，得到預置液；所述引發(fā)劑為過硫酸銨，所述有機聚合單體為丙烯酸、丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸甲酯；所述預置液中引發(fā)劑的質量百分數為O. 1%，有機聚合單體為余量；步驟三、在氮氣的保護下，將步驟一中所述上清液加熱至55°C，然后在攪拌速率為100轉/分鐘的條件下緩慢滴加步驟二中所述預置液形成混合溶液，待混合溶液轉變?yōu)槟z狀物質時停止滴加；步驟四、將步驟三中所述凝膠狀物質陳化8h，然后抽濾；步驟五、將步驟四中所述抽濾后的凝膠狀物質用去離子水洗滌，然后抽濾；步驟六、將步驟五中經抽濾后的凝膠狀物質置于烘箱中，在溫度為80°C的條件下烘干；將烘干后的凝膠狀物質粉碎即得到有機聚合物/二氧化硅復合吸聲隔熱材料，制備的有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 4。氮化硅納米材料的制備步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2:4; 步驟二、先以5cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣IOmin,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以5°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至300°C，保溫6h，此階段前軀體中有機聚合物發(fā)生分解產生具有高反應活性的碳；步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下以5°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至140(TC，然后保溫3h，此階段發(fā)生如下化學反應3Si02+6C+2N2 — Si3N4+6C0 ；步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，待高溫加熱爐爐體冷卻至常溫后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。本實施例制備的氮化娃納米材料具有三維拓撲結構，其比表面積為81m2/g,松裝密度為O. 78g/cm3，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景，將該材料壓為厚度為Icm的吸聲板材，測量器吸聲系數為O. 35。實施例4本實施例采用的有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備方法與實施例3相同。氮化硅納米材料的制備步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2:4;步驟二、先以15cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣18min,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以9°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至450°C，保溫2. 5h，此階段前軀體中有機聚合物發(fā)生分解產生具有高反應活性的碳；步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下以15°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至170(TC，然后保溫I. 5h，此階段發(fā)生如下化學反應3Si02+6C+2N2 — Si3N4+6C0 ；步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，待高溫加熱爐爐體冷卻至常溫后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。本實施例制備的氮化硅納米材料具有三維拓撲結構，其比表面積為73m2/g，松裝密度為O. 88g/cm3，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景，將該材料壓為厚度為Icm的吸聲板材，測量器吸聲系數為O. 39。
實施例5有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料的制備步驟一、將去離子水與水玻璃按I : 3的體積比混合，在攪拌速率為500轉/分鐘的條件下攪拌并加熱至90°C，然后沉降36h，取上清液；步驟二、將引發(fā)劑和有機聚合單體混合均勻，得到預置液；所述引發(fā)劑為過硫酸銨，所述有機聚合單體為丙烯酸、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯；所述預置液中引發(fā)劑的質量百分數為2. 5%，有機聚合單體為余量；步驟三、在氬氣的保護下，將步驟一中所述上清液加熱至95°C，然后在攪拌速率為200轉/分鐘的條件下緩慢滴加步驟二中所述預置液形成混合溶液，待混合溶液轉變?yōu)槟z狀物質時停止滴加；
步驟四、將步驟三中所述凝膠狀物質陳化24h，然后抽濾；步驟五、將步驟四中所述抽濾后的凝膠狀物質用去離子水洗滌，然后抽濾；步驟六、將重復步驟五兩次后的凝膠狀物質置于烘箱中，在溫度為120°C的條件下烘干；將烘干后的凝膠狀物質粉碎即得到有機聚合物/二氧化硅復合吸聲隔熱材料，制備的有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 I。氮化硅納米材料的制備步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 : I ;步驟二、先以20cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣20min,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以10°c /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至500°C，保溫2h，此階段前軀體中有機聚合物發(fā)生分解產生具有高反應活性的碳；步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下以20°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至180(TC，然后保溫lh，此階段發(fā)生如下化學反應3Si02+6C+2N2 — Si3N4+6C0 ;步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，待高溫加熱爐爐體冷卻至常溫后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。本實施例制備的氮化硅納米材料具有三維拓撲結構，其比表面積為73m2/g，松裝密度為O. 89g/cm3，使得氮化硅納米材料在隔熱，吸聲，催化劑及隔膜領域具有應用前景，將該材料壓為厚度為Icm的吸聲板材，測量器吸聲系數為O. 32。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內。
權利要求
1.一種氮化硅納米材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一、采用有機聚合物/ 二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；所述前軀體中有機聚合物與二氧化硅的質量比為2 I 4 ; 步驟二、先以5cm3/s 20cm3/s的通氣速率向步驟一中所述高溫加熱爐內通入氮氣IOmin 20min,然后在保持氮氣通氣速率不變的條件下以5°C /min 10°C /min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至300°C 500°C，保溫2h 6h ; 步驟三、待步驟二中保溫結束后，在保持氮氣通氣速率不變的條件下5°C /min 20V/min的升溫速率將高溫加熱爐爐溫升至1400°C 1800°C，然后保溫Ih 3h ; 步驟四、待步驟三中保溫結束后，對高溫加熱爐停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，冷卻后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。
2.根據權利要求I所述的一種氮化硅納米材料的制備方法，其特征在于，步驟二中所述通氣速率為7cm3/s 15cm3/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化硅納米材料的制備方法，該方法為一、采用有機聚合物/二氧化硅復合吸聲隔熱材料作為前軀體，將前軀體置于陶瓷坩堝中，然后一同置于高溫加熱爐中；二、先向爐內通入氮氣，然后保持通氣速率不變，將爐溫升至300℃～500℃，保溫；三、保持通氣速率不變，將爐溫升至1400℃～1800℃，保溫；四、停止加熱并保持氮氣的通氣速率不變，冷卻后取出陶瓷坩堝內的產物，得到氮化硅納米材料。采用本發(fā)明的方法制備的氮化硅納米材料具有三維拓撲結構，該材料以氮化硅作為骨架材料，微氣孔貫穿于氮化硅中，微氣孔的存在使得該材料具有較低的密度，較高的比表面積，克服了體型及粉末氮化硅納米材料的缺點。
文檔編號C01B21/068GK102807196SQ20121030554
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月26日 優(yōu)先權日2012年8月26日
發(fā)明者陳進 申請人:西安科技大學