[发明专利]一种基于低温还原的立方氮化锆粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氮化锆粉体技术领域。具体涉及一种基于低温还原的立方氮化锆粉体及其制备方法。

背景技术

ZrN具有许多优异的物理和化学性能，如高熔点、高热稳定性、高硬度、良好的耐磨性、良好的耐腐蚀性和高导热性等，因此，被通常用作切削刀具上的硬质涂层、锕系燃料的惰性基质、集成电路中的扩散阻挡层和约瑟夫逊结。目前ZrN粉末的合成可以通过锆的直接氮化，四氯化锆和氨的反应、双离子束溅射、微波等离子体合成和自蔓延高温合成。这些方法虽有其优点，但一般需要很长反应时间或非常高的合成温度。因而用其他方法合成ZrN粉末已受到本领域技术人员的关注：

E．Malikova等人（E．Malikova，J．Pautova，A．Gromov，K．Monogarov，K．Larionov，U．Teipel．On the mechanism of zirconium nitride formation by zirconium，zirconia and yttria burning in air．Journal of Solid State Chemistry，2015，230:199-208.）采用Zr和ZrO₂作为主要原料，Y₂O₃作为添加剂在空气中燃烧，并将燃烧产物进行淬火制备出ZrN粉末，该方法在空气中容易合成ZrN，但淬火时间需要精确控制，合成的ZrN的纯度不高。

R．A．Shishkin等人（R．A．Shishkin，E．S．Maiorova．Microwave vs Autoclave Synthesis of Nanodisperse ZrN Powder. Glass and Ceramics，2017，74:123-125.）使用微波与高压釜合成ZrN粉末，该方法采用氯化锆和叠氮化钠作为主要原料、异丙醇作为溶剂，在混合器中进行混合1小时。将混合物置于干燥箱中抽真空至10^-3Pa，并在50℃下保温10h，之后在混合物中加入二甲苯，通过高压釜法在250℃下保温24小时，并进行微波加热1小时合成氮化锆。该种方法流程较复杂，合成氮化锆周期长，且所使用的氯化锆有毒，受热产生有毒氯化物和含锆化物烟雾，叠氮化钠为剧毒药品，受热、接触明火、或受到摩擦、震动、撞击时可发生爆炸，存在安全性问题。

Y．Li等人（Y．Li，M．I．Jones．Synthesis of ZrN powders by aluminum-reduction nitridation of ZrO₂ powders with CaCO₃ additive．Ceramics International，2017，43:3183-3189.）采用铝热还原法制备氮化锆，在1400℃保温6h和0.4MPa的氮气压力下由ZrO₂-Al-CaCO₃反应合成纯度较高的氮化锆。该方法需要在较高温和一定压力下反应，保温时间长，反应条件苛刻，不利于工业化生产。

B．Fu等人（B．Fu，L．Gao．Synthesis of Nanocrystalline Zirconium Nitride Powders by Reduction-Nitridation of Zirconium Oxide．Journal of the American Ceramic Society，2004，87:696-698.）以镁为还原剂、氨气中还原氮化纳米ZrO₂粉末，在1000℃保温6h成功合成了30~100nm的纯相立方ZrN粉体。该方法采用氨气作为氮源，存在安全性问题，且氮化时间长。

这些方法制备的氮化锆虽取得长足的进步，但大多需要高的反应温度、长的反应时间和复杂的操作流程，存在安全性问题或产率低等。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低、合成温度低、生产周期短、工艺简单、无污染和安全性高的基于低温还原的立方氮化锆粉体的制备方法，用该方法制备的基于低温还原的立方氮化锆粉体纯度高和晶体发育好。