本發(fā)明屬于氮化硅鎂技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。
技術(shù)背景
氮化硅鎂具有與氮化鋁相似的晶體結(jié)構(gòu)，即由Mg2+和Si4+離子替代Al3+的位置。氮化硅鎂材料具有較高的理論熱導(dǎo)率，在大功率電器和高速電路的散熱和封裝材料領(lǐng)域具有較大潛力。在陶瓷材料領(lǐng)域，氮化硅鎂主要作為助燒結(jié)劑，用于改善氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。除此之外，氮化硅鎂還具有較高的應(yīng)力強(qiáng)度、斷裂韌度、硬度和電絕緣性，吸引越來(lái)越多研究者對(duì)其合成方法進(jìn)行研發(fā)和改善。
目前，氮化硅鎂的合成方法主要為直接氮化法和碳熱還原法。早在1969年，國(guó)外研究者就采用直接氮化法制備了氮化硅鎂粉體并對(duì)產(chǎn)物組成和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。30年后，日本Uchida H等人（Uchida H, Hatani K, Aizawa M, et a1. Preparation of magnesiam silicon nitride by the carbothermal reduction technique. Advance Powder Technology. 1999, 10(2): 133-143）以Mg(NO3)2和Si(OC2H5)4為原料采用碳熱還原技術(shù)成功制備氮化硅鎂粉體。2000年，新西蘭的Blair R H（R. G. Blmr. The thermal conductivity of magnesium silicon nitride, MgSiN2, ceramics and related materials, Eindhoven, The Netherlands, Eindhoven University of Technology, 2000: 177-120）在博士論文中對(duì)氮化硅鎂材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行了詳細(xì)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)氮化硅鎂的研究工作開始于2003年，彭桂花（彭桂花，江國(guó)健，李文蘭．自蔓延高溫合成氮化硅鎂粉體．功能材料，2004，35：3051-3053）以Mg+Si、Mg2Si和Mg+Si3N4為原料，采用自蔓延合成技術(shù)制備了氮化硅鎂粉體，并對(duì)產(chǎn)物的氧含量和抗水化性能進(jìn)行了檢測(cè)。彭桂花在自蔓延高溫合成氮化硅鎂粉體的制備方法（ZL200410016198.9）中以鎂粉和α-Si3N4為原料，氯化銨或氟化銨為添加劑為氮化反應(yīng)提供氮源。王飛（王飛．添加尿素燃燒合成氮化硅鎂粉體．稀有金屬材料與工程，2008，37(1)：505-508）采用燃燒合成技術(shù)，以尿素為添加劑在Mg-Si-N體系中制備了MgSiN2粉體。
無(wú)論是直接氮化法、碳熱還原法還是自蔓延合成技術(shù)，都具有共同的缺點(diǎn)，如制備周期長(zhǎng)、能源消耗多和工藝過(guò)程復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的在于提供一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、原料資源豐富及生產(chǎn)成本低廉的氮化硅鎂粉體的制備方法，所制備的氮化硅鎂粉體顆粒大小均勻，形貌單一。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：以10~15wt%的鎂粉、15~25wt%的二氧化硅和65~75wt%的無(wú)機(jī)鹽為原料，混合0.5~1h；然后在0.1~1MPa和氮?dú)鈿夥諚l件下，以5~10℃/min的速率升溫至中間溫度；再以3~5℃/min的速率升溫至燒成溫度，保溫1~7h，隨爐冷卻，洗滌，干燥，制得氮化硅鎂粉體。
所述燒成溫度為900~1300℃，中間溫度與燒成溫度的溫度差為100~200℃。
所述鎂粉的Mg含量為90~99wt%，所述鎂粉的粒度為0.02~44μm和44~88μm中的一種。
所述二氧化硅粉的SiO2含量為85~99wt%，所述二氧化硅粉的粒度為44~74μm、0.02~44μm和≤0. 02μm中的一種。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鈉、氯化鉀、氯化鋰、氯化鎂、氟化鈉和氟化鉀中的一種、二種或三種。
所述洗滌所用溶液為鹽酸、硫酸和硝酸中的一種，所述洗滌用溶液的濃度為1mol/L。
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：
本發(fā)明以豐富的二氧化硅和鎂粉為原料，采用熔鹽輔助鎂熱還原氮化法制備氮化硅鎂粉體，使原料的成本大大降低。熔鹽輔助鎂熱還原氮化法制備氮化硅鎂粉體可在較低溫度和較短時(shí)間完成，還具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和周期短的優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明采用的鎂在650℃條件下即可熔化形成液態(tài)鎂，在整個(gè)還原氮化過(guò)程中鎂以液態(tài)和氣態(tài)的形式參與反應(yīng)，體系的焓顯著增大，極大地降低了反應(yīng)的起始溫度。由于鎂熱還原反應(yīng)過(guò)程放出大量的熱量，反應(yīng)開始后無(wú)需外界提供能量反應(yīng)就能自發(fā)進(jìn)行，并且在較低的溫度下就能夠達(dá)到較高的體系反應(yīng)溫度。本發(fā)明采用熔鹽作輔助，制備過(guò)程不需要特殊的設(shè)備，較低的溫度下無(wú)機(jī)鹽熔化形成離子熔體，顯著提高了反應(yīng)物的傳質(zhì)速度和有效防止了顆粒團(tuán)聚，所得到的粉體顆粒大小均勻，形貌單一。
因此，本發(fā)明具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、原料資源豐富和生產(chǎn)成本低廉的特點(diǎn)；所制備的氮化硅鎂粉體顆粒大小均勻和形貌單一。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明制備的一種氮化硅鎂粉體的SEM圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。
本具體實(shí)施方式中：所述鎂粉的Mg含量為90~99wt%；所述二氧化硅粉的SiO2含量為85~99wt%；所述洗滌用溶液的濃度為1mol/L。實(shí)施例中不再贅述。
實(shí)施例1
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。以8~13wt%的鎂粉、15~18wt%的二氧化硅和71~75wt%的無(wú)機(jī)鹽為原料，混合0.5~1h；然后在0.1~1MPa和氮?dú)鈿夥諚l件下，以5~10℃/min的速率升溫至中間溫度；再以3~5℃/min的速率升溫至燒成溫度，保溫1~7h，隨爐冷卻，洗滌，干燥，制得氮化硅鎂粉體。
所述燒成溫度為900~1100℃，中間溫度與燒成溫度的溫度差為100~160℃。
所述鎂粉的粒度為0.02~44μm。
所述二氧化硅粉的粒度為44~74μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鈉。
所述洗滌所用溶液為鹽酸。
實(shí)施例2
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例1：
所述二氧化硅粉的粒度為0.02~44μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鉀。
所述洗滌所用溶液為硫酸。
實(shí)施例3
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例1：
所述二氧化硅粉的粒度≤0. 02μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氟化鈉和氟化鉀的混合物。
所述洗滌所用溶液為硝酸。
實(shí)施例4
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例1：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鋰和氯化鎂的混合物。
實(shí)施例5
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例1：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述二氧化硅粉的粒度為0.02~44μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鋰、氯化鎂和氟化鈉的混合物。
所述洗滌所用溶液為硫酸。
實(shí)施例6
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例1：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述二氧化硅粉的粒度≤0. 02μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鉀、氯化鋰和氯化鎂的混合物。
所述洗滌所用溶液為硝酸。
實(shí)施例7
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。以9~14wt%的鎂粉、18~22wt%的二氧化硅和68~71wt%的無(wú)機(jī)鹽為原料，混合0.5~1h；然后在0.1~1MPa和氮?dú)鈿夥諚l件下，以5~10℃/min的速率升溫至中間溫度；再以3~5℃/min的速率升溫至燒成溫度，保溫1~7h，隨爐冷卻，洗滌，干燥，制得氮化硅鎂粉體。
所述燒成溫度為1000~1200℃，中間溫度與燒成溫度的溫度差為120~180℃。
所述鎂粉的粒度為0.02~44μm。
所述二氧化硅粉的粒度為44~74μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鋰。
所述洗滌所用溶液為鹽酸。
實(shí)施例8
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例7：
所述二氧化硅粉的粒度為0.02~44μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鎂。
所述洗滌所用溶液為硫酸。
實(shí)施例9
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例7：
所述二氧化硅粉的粒度≤0. 02μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鈉和氯化鉀的混合物。
所述洗滌所用溶液為硝酸。
實(shí)施例10
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例7：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鈉和氟化鉀的混合物。
實(shí)施例11
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例7：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述二氧化硅粉的粒度為0.02~44μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鎂、氟化鈉和氟化鉀的混合物。
所述洗滌所用溶液為硫酸。
實(shí)施例12
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例7：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述二氧化硅粉的粒度≤0. 02μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鋰、氯化鎂和氟化鈉的混合物。
所述洗滌所用溶液為硝酸。
實(shí)施例13
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。以10~15wt%的鎂粉、22~25wt%的二氧化硅和65~68wt%的無(wú)機(jī)鹽為原料，混合0.5~1h；然后在0.1~1MPa和氮?dú)鈿夥諚l件下，以5~10℃/min的速率升溫至中間溫度；再以3~5℃/min的速率升溫至燒成溫度，保溫1~7h，隨爐冷卻，洗滌，干燥，制得氮化硅鎂粉體。
所述燒成溫度為1100~1300℃，中間溫度與燒成溫度的溫度差為140~200℃。
所述鎂粉的粒度為0.02~44μm。
所述二氧化硅粉的粒度為44~74μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氟化鈉。
所述洗滌所用溶液為鹽酸。
實(shí)施例14
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例13：
所述二氧化硅粉的粒度為0.02~44μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氟化鉀。
所述洗滌所用溶液為硫酸。
實(shí)施例15
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例13：
所述二氧化硅粉的粒度≤0. 02μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鉀和氯化鋰的混合物。
所述洗滌所用溶液為硝酸。
實(shí)施例16
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例13：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鎂和氟化鈉的混合物。
實(shí)施例17
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例13：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述二氧化硅粉的粒度為0.02~44μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鉀、氯化鋰和氯化鎂的混合物。
所述洗滌所用溶液為硫酸。
實(shí)施例18
一種氮化硅鎂粉體及其制備方法。除下述外其余同實(shí)施例13：
所述鎂粉的粒度為44~88μm。
所述二氧化硅粉的粒度≤0. 02μm。
所述無(wú)機(jī)鹽為氯化鈉、氯化鉀和氯化鋰的混合物。
所述洗滌所用溶液為硝酸。
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：
本具體實(shí)施方式以豐富的二氧化硅和鎂粉為原料，采用熔鹽輔助鎂熱還原氮化法制備氮化硅鎂粉體，使原料的成本大大降低。熔鹽輔助鎂熱還原氮化法制備氮化硅鎂粉體可在較低溫度和較短時(shí)間完成，還具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和周期短的優(yōu)勢(shì)。
本具體實(shí)施方式采用的鎂在650℃條件下即可熔化形成液態(tài)鎂，在整個(gè)還原氮化過(guò)程中鎂以液態(tài)和氣態(tài)的形式參與反應(yīng)，體系的焓顯著增大，極大地降低了反應(yīng)的起始溫度。由于鎂熱還原反應(yīng)過(guò)程放出大量的熱量，反應(yīng)開始后無(wú)需外界提供能量反應(yīng)就能自發(fā)進(jìn)行，并且在較低的溫度下就能夠達(dá)到較高的體系反應(yīng)溫度。本具體實(shí)施方式采用熔鹽作輔助，制備過(guò)程不需要特殊的設(shè)備，較低的溫度下無(wú)機(jī)鹽熔化形成離子熔體，顯著提高了反應(yīng)物的傳質(zhì)速度和有效防止了顆粒團(tuán)聚，所得到的氮化硅鎂如圖1所述，圖1為實(shí)施例10制備的一種氮化硅鎂粉體的SEM圖。從圖1可以看出：粉體顆粒大小均勻，形貌單一。
因此，本具體實(shí)施方式具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、原料資源豐富和生產(chǎn)成本低廉的特點(diǎn)；所制備的氮化硅鎂粉體顆粒大小均勻和形貌單一。