[发明专利]一种氮化硅晶须的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Si₃N₄晶须的制备方法。

背景技术

晶须是由高纯度单晶生长而成的短纤维。其机械强度等于邻接原子间力。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。晶须的强度远高于其他短切纤维，主要用作复合材料的增强体，用于制造高强度复合材料。制造晶须的材料分金属、陶瓷和高分子材料3大类。一直以来关于碳化硅晶须的研究较多，但Si₃N₄晶须比SiC晶须具有更优良的耐高温、高强度、高模量、低膨胀系数和良好的化学稳定性（文献1：DentalMaterial（牙科材料），2003(19)：359—367）被认为是金属和陶瓷材料的理想增强组元。氮化硅晶须有2种晶型：α-Si₃N₄和β-Si₃N₄两者都属六方晶系。一般认为α-Si₃N₄属低温稳定晶型，β-Si₃N₄属高温稳定晶型。氮化硅晶须的制备方法分气相法、液相法、固相法三种。常用的方法有直接氮化法、化学气相沉积法、碳热还原法、卤化硅气相氨分解法、自蔓延法等。

现有的Si₃N₄晶须的制备方法存在很多问题，如制备设备复杂，生产成本高，纯度低，Si₃N₄晶须的大小不易控制，污染环境等，这些都严重阻碍了晶须的商品化生产。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有Si₃N₄晶须的制备方法存在制备设备复杂，生产成本高，污染环境，Si₃N₄晶须的大小不易控制，及得到的Si₃N₄晶须的纯度低的问题，本发明提供了一种氮化硅晶须的制备方法。

本发明氮化硅晶须的制备方法是通过以下步骤实现的：一、将水溶性高分子聚合物加入90~100℃的去离子水中，搅拌溶解10min后，再加入α-Si₃N₄粉体和烧结助剂得混合料，然后将混合料球磨20~30h，得到固相体积含量为5%~20%的浆料，其中，固相为α-Si₃N₄粉体和烧结助剂，烧结助剂的质量占固相总质量的2%~10%，水溶性高分子聚合物的质量是固相总质量的0.2%~1%，所述烧结助剂为MgO、CaO、BaO、Li₂O、TiO₂、AlN、Y₂O₃、Al₂O₃、La₂O₃、Yb₂O₃、Ce₂O₃、Nd₂O₃和SiO₂中的一种或者其中几种的组合物；二、将步骤一得到的浆料通过锥形嘴滴入温度为-200℃~-60℃的冷却介质中，得到固态球形浆料颗粒，其中，锥形嘴的口径控制在2~3mm；三、将步骤二得到的固态球形浆料颗粒放入冻干机中冷冻干燥24~72h，得到β-Si₃N₄晶须前驱体，其中冷冻干燥温度为-20℃~-30℃；四、将步骤三得到的β-Si₃N₄晶须前驱体放入气氛烧结炉内，在氮气气氛下，在1750℃~1900℃温度下，保温煅烧1~3h，得β-Si₃N₄晶须聚集颗粒；五、将步骤四得到的β-Si₃N₄晶须聚集颗粒放入氢氟酸中腐蚀12~24h，然后将β-Si₃N₄晶须聚集颗粒清洗至清洗液为中性，再将清洗后的β-Si₃N₄晶须聚集颗粒碾碎，过筛，即得到β-Si₃N₄晶须，完成氮化硅晶须的制备方法。