[发明专利]β-Si3N4单晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及Si₃N₄单晶的制备方法。

背景技术

β-Si₃N₄单晶的抗拉强度达30～50GPa，能够耐1400℃以上高温，其晶体结构决定了β-Si₃N₄单晶可生长成为高长径比的棒状晶，作为陶瓷、金属及塑料基复合材料的增强相，其强韧化效果可与SiC晶须相比。

名称为“自蔓燃合成法制备高β相氮化硅棒状晶须的方法(中国专利申请号：200710114558.2，申请日：2007年12月28日，公开日：2008年10月08日)”和名称为“自蔓延高温合成制备β-氮化硅晶须的方法(中国专利号：ZL01126400.4，申请日：2001年08月03日，公开日：2002年02月06日)”的专利中利用Si在N₂中高温燃烧，快速地合成晶型完整、表面光滑的β-Si₃N₄单晶，但是产物中通常混有难以分离的α-Si₃N₄和未及反应的Si杂质，而且β-Si₃N₄单晶的大小不易控制，为了促进Si原料的氮化、提高β-Si₃N₄产率而使用的NH₄F、NH₄Cl等添加剂会造成设备的腐蚀，且排出的尾气对环境有害。[上海交通大学学报35 2001 p397]报道过以α-Si₃N₄及MO·Al₂O₃·2SiO₂为原料合成致密的复合材料，存在着致密材料的制备过程中，晶粒会相互碰撞，导致β-Si₃N₄晶粒生长中长径比变小，且单个晶粒的完整度被破坏。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中制备β-Si₃N₄单晶的方法存在产物中混有杂质、β-Si₃N₄单晶的大小不易控制、使用添加剂造成设备腐蚀、排出的尾气对环境有害和致密材料的制备过程中晶粒会相互碰撞的问题，而提供β-Si₃N₄单晶的制备方法。

β-Si₃N₄单晶的制备方法按以下步骤进行：一、按重量比20～99∶1～80称取α-Si₃N₄粉末和添加剂，混合后加入重量百分比浓度为0.5％～5％的聚乙烯醇水溶液，球磨混合1～24h，得泥浆；二、将泥浆倒入敞口石墨容器中，然后在20～90℃的条件下烘干，得坯体；三、将盛有坯体的石墨容器置于高温炉中，然后在温度为1400～2200℃、压强为0.1～10MPa的氮气气氛中保温烧结0.1～10h，得块体；四、将块体破碎，放入400℃熔融的NaOH中1～30min，收集沉淀物，然后用水清洗3～5次，即得β-Si₃N₄单晶；其中步骤一中添加剂的体系结构式为：MO·mAl₂O₃·nSiO₂，M为Mg、Ca、Sr、Ba中的一种或几种，m＝0～2，n＝0～4；步骤一中聚乙烯醇水溶液的加入量为混合物总体积的30％～95％。

本发明中利用添加剂在1200℃以上温度熔化，α-Si₃N₄向液相中溶解，达到过饱和后析出β-Si₃N₄单晶，制备的β-Si₃N₄单晶是直径和长度可控的棒晶，所制备的β-Si₃N₄单晶经XRD和扫描电镜检测纯度高、晶型完整；本发明制备β-Si₃N₄单晶过程中坯体不是致密的，而为多孔结构，所以β-Si₃N₄单晶之间不会挤压和碰撞，是自由生长的，β-Si₃N₄单晶长径比增大，且晶粒的完整度好；本发明中通过控制合成工艺参数，能够实现对β-Si₃N₄单晶直径及长度的控制；本发明中所使用添加剂不会造成设备腐蚀，无尾气产生。

附图说明