[发明专利]一种高含量氮化硅粉末的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅粉末的生产方法，尤其涉及一种由硅粉生产含量较高Si₃N₄的新方法，属无机化学技术领域。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)是一种重要的结构材料，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称。它是一种超硬物质，既是优良的高温结构材料，又是新型的功能材料。本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，它不与其它无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化，而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。具体到物理性能方面，氮化硅材料具有硬度高、耐磨损、弹性模量大、强度高、耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性好、密度低、表面摩擦系数小、电绝缘性能好等特点。氮化硅陶瓷适于作为各种特殊用途的结构材料，应用领域涉及到机械、化工、电子、军工等行业，在汽车、机械、冶金和化学工程等领域，已具有极为广阔的应用前景，并逐渐渗透到空间技术、海洋开发、电子技术、医疗卫生、无损检测、自动控制、广播电视等多个尖端科学领域。21世纪氮化硅陶瓷将同金属、有机高分子材料继续为人类社会的进步、科技的发展发挥更大的作用。

纳米氮化硅具有两种晶型：亚稳的低温相六方α-Si₃N₄和稳定的高温相六方β-Si₃N₄。氮化硅粉体的粒径、相含量以及杂质含量决定了其质量的好坏，并直接影响陶瓷制品的品质，如果氮化硅粉体的颗粒很细以至于达到纳米级或亚微米级，或其中添加的强化项是纳米级或亚微米级的，那么陶瓷的韧性将会大幅度增加，从而适应各种场合的需要。制备高性能陶瓷制品对氮化硅粉体的要求很高。而氮化硅粉体质量取决于其制备方法，目前常用的制备方法有：硅粉直接氮化法、碳热还原法、卤化硅氨解法、制备前驱体法、化学复分解法、原位合成法、硅合金氨解法等，普遍存在如下不足：由大颗粒氮化硅、多相粉体烧结制备，脆性大、均匀性差、可靠性低、韧性和强度差，使其应用受到较大的限制。而硅粉直接氮化法制备氮化硅粉体要求氮气压力必须足够高，以实现Si和N₂的充分接触。一般燃烧合成Si₃N₄的氮气压力低限是3MPa，但有时高达100MPa以上。采用高压合成工艺不仅因设备投资高而且增加了生产成本，同时也给生产带来了安全隐患。从国内外氮化硅粉体的指标测试和试烧结果看来，国内最具代表性企业生产的Si₃N₄平均颗粒在3微米左右，金属杂质含量较高，难以达到合格产品要求，而进口的粉体为0.7微米以下。因此，为满足市场需求，工业化生产超微、高质量的氮化硅粉末是国内氮化硅行业发展中亟待解决的课题，刻不容缓。关键在于对其合成工艺进行改进。

发明内容

针对现有技术状况，本发明目的在于对现有工艺进行改进，提供一种含量高、杂质少、超微细的氮化硅粉末的合成方法。

本发明采用硅粉直接氮化法，即纯净的硅粉在氮气气氛中高温下通过氮向硅粉内部扩散生成氮化硅。但在氮化反应的同时还伴随着硅粉的烧结过程，阻碍了硅粉的进一步氮化，本发明对其合成工艺进行了改进，在硅粉素坯中引入氮化硅做稀释剂，提高硅粉的氮化效率，使产物中残留的硅量降低，并对影响氮化硅转化率的氮化温度、氮化速度、及硅粉粒度等工艺因素进行了探讨，以实现本发明目的。

技术方案如下：

(1)首先通过机械活化方式预处理硅粉，使原料硅粉细化和非晶化，从而提高固相反应剂活性，强化Si-N₂之间的气-固相界面反应，提高低氮气温度和低压力下Si-N₂放热燃烧反应速度。

(2)加入α-Si₃N₄粉体作为稀释剂，防止硅粉自烧结，同时作为生成物的晶核；将硅粉和稀释剂混合均匀。

(3)氮气保护气氛下干燥硅粉和稀释剂，常压下，通入氮气，置换出炉内空气；然后加热至1450℃～1550℃，缓慢转动燃炉，一方面防止熔化的硅粉粘结壁面以及氮化产物结块，另一方面可以将物料分散，加强硅粉与氮气的接触，使硅粉与氮气充分反应。