[发明专利]自蔓燃制备低氧含量高α-相氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域：

本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种采用自蔓燃制备低氧含量高α-相氮化硅粉体的方法，制备的氮化硅可广泛的应用于精细陶瓷和高端耐火材料等领域。

背景技术：

由于氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有独特的物理和机械性能，例如密度低、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、优良的热稳定性(特别是低的热膨胀系数)、高热导性能等，在航空、航天、半导体、电子、化学工业、能源、机械制造、兵器工业等领域有着广泛的应用前景。

氮化硅是典型的共价键化合物，有两种晶型，β相是针状结晶体，属于高温稳定型，α相颗粒状结晶体，属于低温稳定型，两者均为六方晶系，α相结构的内部应变比β相大，故自由能比β相高，在1400—1600℃加热，α—Si₃N₄会转变成β—Si₃N₄，在氮化硅粉体的烧结过程中一般会发生α→β相的转变，该相变通过溶解析出机制进行，同时伴随着密度致密化。氧是氮化硅粉料中存在最多的杂质元素，一部分溶解于氮化硅粉料的颗粒内部，一部分在氮化硅粉料表面以富氧层的形式存在。通常把氮化硅粉料表面的富氧层看作是SiO₂薄膜。在烧结过程中，氮化硅颗粒表面的富氧层与烧结助剂反应形成液相，促进相变和致密化。除了另外添加的氧化物烧结助剂外，氮化硅粉料表面的富氧层也作为烧结助剂参与烧结过程中液相的形成，并影响氮化硅陶瓷中晶界相的组成和数量，从而影响其高温力学性能。采用低氧含量的α相氮化硅粉体烧结陶瓷正逐步成为国内外科研院所和企业竞相开展的课题研究氮化硅粉料的表面富氧层对氮化硅陶瓷晶界相和高温力学性能的影响也非常重要。

制备α相氮化硅粉体的传统方法可以分为如下几种，第一种是工业上广泛采用的金属硅粉(Si)直接氮化法，第二种是二氧化硅(SiO₂)碳热还原法，第三种是化学气相合成法，第四种是相对较先进的等离子气相合成法，第五种是自蔓燃高温合成法。

金属硅粉直接氮化法是：在氮气或氨气的氛围内，在电炉中加热金属硅粉使之发生氮化反应，该方法简单，是合成α氮化硅粉体的最有效的、并且是相对简单方法，是工业中普遍应用的方法。但是该方法有其明显的缺点，硅粉在高温反应中可能融化，致使反应气氛扩散困难，其次随着反应的进行，包覆硅粉的氮化硅层会阻止内部硅粉的进一步氮化，另外，整个反应过程需要两次氮化，这个反应周期需要数天，该过程中自始至终须严格控制反应温度、氮气分压和气体流量来保证生成α相需要的热环境，导致了该方法需要较大的能源消耗，合成的粉体粒度分布不均匀，杂质含量较高，无法满足制备高性能Si₃N₄陶瓷的原料要求。

二氧化硅碳热还原法是将二氧化硅粉末与碳粉充分混合，在流动的氮气气氛下利用碳还原SiO₂，被还原出的Si和SiO与氮气进一步反应生成Si₃N₄，该法具有设备简单、原料价格低，生成的氮化硅粉末具有高α相，残留的C可以经600℃煅烧除去，粉末无需球磨等特点。但是该方法需要加入过量的碳以确保SiO₂的完全反应，中间过程所产生的SiO容易造成原料的损失，同时在SiO₂—C—N₂反应体系在低温时反应速度慢；而在高温时，可能导致生成碳化硅，直接影响到氮化硅的产率和纯度。