專利名稱：一種以硅粉作添加劑實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉末的快速晶化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超細(xì)氮化硅粉末的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用硅粉做添加劑實(shí)現(xiàn)非 晶氮化硅粉體的快速晶化方法，在高溫常壓下能夠批量生產(chǎn)高純、高α相氮化硅超細(xì)粉 末。
背景技術(shù)：
在各種陶瓷材料中，氮化硅(Si3N4)陶瓷是最具有發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用市場的新型工 程材料。由于其具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗氧化和耐磨損以及高抗熱震性等優(yōu)點(diǎn)，所以 氮化硅陶瓷在高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境中具有特殊的使用價(jià)值。高質(zhì)量Si3N4陶瓷制品的制備需要用到優(yōu)質(zhì)的Si3N4粉體。目前已知的氮化硅粉 體的制備方法很多，人們研究最多的有以下幾種硅粉直接氮化法、碳熱還原二氧化硅法、 熱分解法、化學(xué)氣相沉積法、自蔓延高溫合成法以及溶膠凝膠法等。從目前國內(nèi)外的研究和 應(yīng)用情況看，硅粉直接氮化法是比較成熟的工藝，但其需要在高溫下長時(shí)間才能完成反應(yīng)， 同時(shí)消耗較多能源，轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品純度也較低。熱分解法近年來發(fā)展較快，國外已建立了工 業(yè)規(guī)模的氮化硅粉體生產(chǎn)線，但總體上仍存在一些技術(shù)問題并需進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。各 種化學(xué)氣相沉積法雖然都可以得到純度較高的產(chǎn)品，但是其生產(chǎn)成本比較高，生產(chǎn)規(guī)模也 相對較小，僅適宜應(yīng)用在某些特殊領(lǐng)域。自蔓延高溫合成反應(yīng)速度較快，完成反應(yīng)所需時(shí)間 短，能源消耗較少，生產(chǎn)工藝簡單，但反應(yīng)溫度不易控制，產(chǎn)品局部燒結(jié)質(zhì)量不穩(wěn)定且需要 后續(xù)研磨，增加了生產(chǎn)成本。市場上的氮化硅粉體主要分為非晶相、α相和β相。由于α -Si3N4燒結(jié)性較好，因 此是制備高性能Si3N4陶瓷的常用原料。目前，國內(nèi)外研究工作的重點(diǎn)集中在高α相Si3N4 粉的制備方面。俄羅斯Merzhanov等發(fā)明的“一種制備高α -Si3N4的方法”(美國專利 US5032370)，需要在較高的氮?dú)鈮毫ο翯 30Mpa)完成合成反應(yīng)，對設(shè)備的要求較為苛 刻，事故發(fā)生機(jī)率增加，同時(shí)需要加入大量含Cl、F的氨鹽，對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，增加了成本， 這些原因?qū)е虏焕谝?guī)?；a(chǎn)。清華大學(xué)陳克新等人發(fā)明了“一種低壓燃燒合成高α相 氮化硅粉體的方法”(中國專利公開號為CN1362358A)，該方法需要對硅粉進(jìn)行預(yù)處理，包 括酸洗、超聲處理、高速球磨，接著加入活性劑、稀釋劑和添加劑，再將上述粉末在球磨機(jī)上 長時(shí)間球磨，需要大量時(shí)間進(jìn)行預(yù)處理。高禮文等人發(fā)明了“高α-Si3N4相氮化硅制備方 法”(中國專利公開號為CN101269803A)，該方法將硅粉和氮化硅粉混合壓塊裝爐氮化，雖然 可以大批量制得高α相氮化硅粉體，但是由于需要分段加熱并控制壓力，因此操作復(fù)雜， 不易控制。清華大學(xué)齊龍浩等人發(fā)明了“等離子體化學(xué)氣相法批量生產(chǎn)氮化硅粉體轉(zhuǎn)相工 藝及系統(tǒng)”(中國專利公開號為CN1397487A)，該方法實(shí)現(xiàn)了將等離子化學(xué)氣相法生產(chǎn)的無 定形氮化硅批量晶化得到高α相氮化硅的工藝過程，但是由于相轉(zhuǎn)化過程緩慢，通常需要 3個(gè)多小時(shí)，因此效率較低，成本仍然較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用硅粉在非晶氮化硅晶化過程中表現(xiàn)出來的促進(jìn)作用，解決 非晶氮化硅晶化工藝過程時(shí)間長、成本高的問題，實(shí)現(xiàn)利用非晶氮化硅批量晶化大規(guī)模生 產(chǎn)α相氮化硅粉體的方法?！N以硅粉作添加劑實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉末快速晶化的方法，本發(fā)明是將非晶氮化 硅粉和作為添加劑的硅粉按照氮化硅粉硅粉=(98 50) (2 50)的質(zhì)量比例充分 混合，再經(jīng)過篩分、干燥工序以滿足粒徑范圍為0. 01 μ m 200 μ m后，裝入高溫氮?dú)鉅t內(nèi)進(jìn) 行非晶氮化硅的晶化。添加劑硅粉在有效縮短非晶氮化硅晶化時(shí)間的同時(shí)，與氮?dú)獍l(fā)生燃 燒合成反應(yīng)生成α相氮化硅。最終產(chǎn)品為高α相氮化硅粉體，產(chǎn)品中硅含量在0. 以 下。本發(fā)明的主要特點(diǎn)是充分利用硅粉對非晶氮化硅相轉(zhuǎn)化過程的促進(jìn)作用，短時(shí)間 內(nèi)實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉快速晶化，同時(shí)完成硅粉氮化過程，制得高純度、高質(zhì)量的α相氮化 硅粉，且產(chǎn)物中沒有殘余非晶相、硅含量極低。本發(fā)明所述的晶化產(chǎn)物為高α相氮化硅超細(xì)粉或α / β相復(fù)合氮化硅粉；通過改 變工藝條件，可以得到不同晶相的氮化硅粉末。當(dāng)?shù)瘻囟葹?400 1500°C時(shí)，產(chǎn)物主要 為α相氮化硅。當(dāng)?shù)瘻囟葹?500 1650°C時(shí)，產(chǎn)物中會出現(xiàn)少量β相氮化硅，且隨熱 處理時(shí)間的延長，β相含量逐漸增多。本發(fā)明是一種在高溫常壓條件下，實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉快速晶化生產(chǎn)高α相氮化 硅粉的方法。采用硅粉作為相轉(zhuǎn)化添加劑，在有效促進(jìn)非晶氮化硅粉相變過程、大大縮短晶 化時(shí)間的同時(shí)，完成自身氮化，因此具有快速、節(jié)能、可批量生產(chǎn)且產(chǎn)物純度高的優(yōu)勢。該方 法特別適合利用非晶氮化硅粉批量生產(chǎn)高質(zhì)量高α相含量氮化硅粉。本發(fā)明的非晶氮化硅粉末晶化方法具有以下優(yōu)勢1、普通非晶氮化硅粉末晶化方法通常需要3 4小時(shí)甚至更長(含前期熱處理 1 2小時(shí))，轉(zhuǎn)化效率低，不適合批量生產(chǎn)高α相氮化硅粉，而使用本發(fā)明方法，可極大的 縮短非晶氮化硅粉末晶化時(shí)間(30min以內(nèi))，從而提高了生產(chǎn)效率，適合規(guī)模化應(yīng)用；2、在非晶氮化硅粉中添加了硅粉，有效縮短晶化時(shí)間的同時(shí)，完成硅粉的氮化過 程，即同一時(shí)間完成非晶氮化硅晶化和硅粉氮化兩個(gè)過程，使產(chǎn)物α相氮化硅粉的產(chǎn)量遠(yuǎn) 高于純非晶氮化硅粉晶化的方法；3、硅粉添加量可控O 50% )，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況靈活掌握應(yīng)用。


圖1為粉料篩分裝置示意圖。1為待篩分粉體，2為攪拌電機(jī)，3為倒T形攪拌桿， 4為篩分裝置主體，5為振動(dòng)電機(jī)，6為篩網(wǎng)，7為漏斗狀集料通道，8為盛料器。圖2為粉料混合裝置示意圖。9為混合物料，10為攪拌電機(jī)，11為螺旋狀攪拌桿， 12為混合裝置主體，13為振動(dòng)電機(jī)?；旌衔锪蠒r(shí)，首先將兩種物料裝入混合裝置主體，然后 啟動(dòng)攪拌電機(jī)和振動(dòng)電機(jī)，在攪拌桿和振動(dòng)的共同作用下，超細(xì)粉體相互充分混合，均勻分 布，實(shí)現(xiàn)兩種或多種粉體物料的混合。圖3為晶化熱處理裝置示意圖。該裝置主要包括預(yù)熱室、高溫氮?dú)鉅t、冷卻室、氣 體循環(huán)系統(tǒng)等。14為預(yù)熱室進(jìn)料倉門，15為預(yù)熱室，16為前密閉通道，17為高溫氮?dú)鉅t，18為后密閉通道，19為冷卻室，20為出料門，21為氮?dú)鉅t加熱層，22為氮?dú)鉅t保溫層，P為壓 力表。圖4為非晶氮化硅粉晶化工藝流程示意圖。原料粉末依次經(jīng)過篩分、混合、干燥、 裝料、換氣預(yù)熱、高溫晶化氮化、冷卻等工藝過程，完成非晶氮化硅粉體晶化和硅粉氮化兩 個(gè)過程，最終得到產(chǎn)品高α相氮化硅粉。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要包括粉料篩分、混合、干燥和熱處理幾個(gè)工藝步驟，涉及到如下主要裝置。粉料篩分裝置篩分物料時(shí)，首先將物料裝入篩分裝置主體，然后啟動(dòng)攪拌電機(jī)和 振動(dòng)電機(jī)，在攪拌桿和振動(dòng)的共同作用下，超細(xì)粉體濾過篩網(wǎng)后通過漏斗狀集料通道進(jìn)入 盛料器，實(shí)現(xiàn)篩分過程。粉料混合裝置混合物料時(shí)，首先將兩種物料裝入混合裝置主體，然后啟動(dòng)攪拌電 機(jī)和振動(dòng)電機(jī)，在攪拌桿和振動(dòng)的共同作用下，超細(xì)粉體相互充分混合，均勻分布，實(shí)現(xiàn)兩 種或多種粉體物料的混合。晶化熱處理裝置該裝置主要包括預(yù)熱室、高溫氮?dú)鉅t、冷卻室、氣體循環(huán)系統(tǒng)等。 進(jìn)行熱處理時(shí)，混合物料首先在預(yù)熱室內(nèi)被高溫氮?dú)饧訜?，之后進(jìn)入氮?dú)鉅t內(nèi)完成氮化硅 粉的晶化和硅粉的氮化過程，之后在冷卻室內(nèi)冷卻后出料，成為最終的產(chǎn)品。熱處理過程 中，始終保證高溫氮?dú)鉅t內(nèi)為氮?dú)鈿夥?或氮?dú)馀c氫氣混合氣氛)，且為微正壓，表壓力為 0 0. 02MPa ；轉(zhuǎn)化溫度隨具體工藝條件的不同控制在1400 1650°C之間。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體工藝過程如下a、原料混合和破碎團(tuán)聚處理將非晶氮化硅粉和作為添加劑的硅粉按照氮化硅粉硅粉=(98 50) (2 50)的質(zhì)量比例在原料混合系統(tǒng)中充分混合，使兩種原料均勻分布；將混合物料在篩分 系統(tǒng)中進(jìn)行篩分處理，使非晶氮化硅粉和作為添加劑的硅粉的粒徑范圍為0.01 μπι 200 μ m,確保除去大顆粒粉料；將混合物料在干燥系統(tǒng)中進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為80 120°C，干燥時(shí)間為1 8小時(shí)，去除粉料中吸附的水。b、原料預(yù)熱及向氮化爐供料將干燥篩分后的混合物料松裝入盛料坩堝容器內(nèi)并送入預(yù)熱室，在氮?dú)鈿夥障骂A(yù) 熱1 10分鐘。C、非晶氮化硅粉晶化及添加劑硅粉氮化過程進(jìn)入高溫氮?dú)鉅t內(nèi)的物料在氮?dú)鈿夥障卤谎杆偌訜嶂?400 1650°C范圍內(nèi)的某 個(gè)溫度，非晶氮化硅粉在該溫度下發(fā)生晶化，形成α相氮化硅粉體；同時(shí)作為添加劑的硅 粉與氮?dú)獍l(fā)生燃燒合成反應(yīng)生成α相氮化硅粉體。硅粉與氮?dú)庠诎l(fā)生燃燒反應(yīng)的同時(shí)，有 效地促進(jìn)了非晶氮化硅晶化過程，大大加快了其晶化速率。整個(gè)氮化過程中，氮?dú)鉅t內(nèi)壓力 一直保持微正壓，表壓力為0 0. 02MPa。d、晶化產(chǎn)物冷卻過程 混合物料完成轉(zhuǎn)相及氮化過程后，進(jìn)入冷卻室被常溫高純氮?dú)饫鋮s。
e、出料過程
將冷卻后的產(chǎn)物從盛料坩堝中取出，收集產(chǎn)品。產(chǎn)物為高α相含量的氮化硅超細(xì)粉或α/β相復(fù)合氮化硅粉。實(shí)施例1 將平均粒徑為0. 2 μ m的非晶氮化硅粉和10 μ m的硅粉分別放入篩分裝置內(nèi)篩分， 去除因團(tuán)聚等原因形成的大顆粒。再將兩種粉體按照氮化硅粉硅粉=95 5的質(zhì)量比放 入粉料混合裝置內(nèi)充分混合，然后將混合原料放入真空干燥箱內(nèi)，在90°C下干燥8小時(shí)。將 干燥好的原料再次放入篩分裝置內(nèi)篩分，進(jìn)一步去除大尺寸團(tuán)聚粉體，然后放入晶化熱處 理裝置，經(jīng)過換氣后在1450°C氮?dú)鈿夥障聼崽幚?0分鐘，出爐冷卻，得到超細(xì)氮化硅粉末。 經(jīng)X射線衍射分析產(chǎn)物中α相氮化硅含量80%以上，未晶化的非晶氮化硅含量<20%，殘 余硅含量<0.5%，無β相氮化硅產(chǎn)生。實(shí)施例2 將平均粒徑為0. 2 μ m的非晶氮化硅粉和10 μ m的硅粉分別放入篩分裝置內(nèi)篩分， 去除因團(tuán)聚等原因形成的大顆粒。再將兩種粉體按照氮化硅粉硅粉=70 30的質(zhì)量比 放入粉料混合裝置內(nèi)充分混合，然后將混合原料放入真空干燥箱內(nèi)，在90°C下干燥8小時(shí)。 將干燥好的原料再次放入篩分裝置內(nèi)篩分，進(jìn)一步去除大尺寸團(tuán)聚粉體，然后放入晶化熱 處理裝置，經(jīng)過換氣后在1450°C氮?dú)鈿夥障聼崽幚?0分鐘，出爐冷卻，得到超細(xì)氮化硅粉 末。經(jīng)X射線衍射分析產(chǎn)物中α相氮化硅含量90%以上，未晶化的非晶氮化硅含量<5%， 殘余硅含量< 5%，無β相氮化硅產(chǎn)生。實(shí)施例3 將平均粒徑為0. 2 μ m的非晶氮化硅粉和10 μ m的硅粉分別放入篩分裝置內(nèi)篩分， 去除因團(tuán)聚等原因形成的大顆粒。再將兩種粉體按照氮化硅粉硅粉=50 50的質(zhì)量比 放入粉料混合裝置內(nèi)充分混合，然后將混合原料放入真空干燥箱內(nèi)，在90°C下干燥8小時(shí)。 將干燥好的原料再次放入篩分裝置內(nèi)篩分，進(jìn)一步去除大尺寸團(tuán)聚粉體，然后放入晶化熱 處理裝置，經(jīng)過換氣后在1500°C氮?dú)鈿夥障聼崽幚?5分鐘，出爐冷卻，得到超細(xì)氮化硅粉 末。經(jīng)X射線衍射分析產(chǎn)物中α相氮化硅含量75%以上，β相氮化硅含量< 20%，殘余 硅含量< 5%，未晶化的非晶氮化硅含量< 1%。
權(quán)利要求
1.一種以硅粉作添加劑實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉末快速晶化的方法，其特征是將非晶氮化硅 粉和作為添加劑的硅粉按照氮化硅粉硅粉=(98 50) (2 50)的質(zhì)量比例充分混 合，再經(jīng)過篩分、干燥工序以滿足粒徑范圍為0. 01 μ m 200 μ m后，裝入高溫氮?dú)鉅t內(nèi)進(jìn)行 非晶氮化硅的晶化；添加劑硅粉在有效縮短非晶氮化硅晶化時(shí)間的同時(shí)，與氮?dú)獍l(fā)生燃燒 合成反應(yīng)生成α相氮化硅，最終產(chǎn)品為高α相氮化硅粉體，產(chǎn)品中硅含量在0. 以下。
2.如權(quán)利要求1所述的以硅粉作添加劑實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉末快速晶化的方法，其特 征在于該方法包括原料混合系統(tǒng)、原料篩分系統(tǒng)、原料干燥系統(tǒng)以及原料的晶化熱處理系 統(tǒng)；具體工藝步驟為(1)將非晶氮化硅粉和作為添加劑的硅粉按照氮化硅粉硅粉=(98 50)以 50)的質(zhì)量比例在原料混合系統(tǒng)中充分混合，使兩種原料均勻分布；(2)將混合物料在篩分系統(tǒng)中進(jìn)行篩分處理，使非晶氮化硅粉和作為添加劑的硅粉的 粒徑范圍為0. 01 μ m 200 μ m，確保除去大顆粒粉料；(3)將混合物料在干燥系統(tǒng)中進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為80 120°C，干燥時(shí)間為1 8小時(shí)，去除粉料中吸附的水；(4)將混合物料送入晶化熱處理系統(tǒng)中，在氮?dú)鈿夥障?，依次?jīng)過預(yù)熱過程、晶化及氮 化過程、冷卻過程，完成整個(gè)熱處理工藝，得到高α相含量的氮化硅超細(xì)粉或α/β相復(fù)合 氮化硅粉。
3.如權(quán)利要求2所述的以硅粉作添加劑實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉末快速晶化的方法，其特 征在于工藝步驟晶化及氮化過程中，氮?dú)鉅t內(nèi)壓力一直保持微正壓，表壓力為0 0.02MPa。
全文摘要
一種利用硅粉做添加劑實(shí)現(xiàn)非晶氮化硅粉體的快速晶化方法，屬于超細(xì)氮化硅粉末的制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征是將非晶氮化硅粉和作為添加劑的硅粉按照氮化硅粉∶硅粉＝(98～50)∶(2～50)的質(zhì)量比例充分混合，再經(jīng)過篩分、干燥工序后，裝入高溫氮?dú)鉅t內(nèi)進(jìn)行非晶氮化硅的晶化；添加劑硅粉在有效縮短非晶氮化硅晶化時(shí)間的同時(shí)，與氮?dú)獍l(fā)生燃燒合成反應(yīng)生成α相氮化硅，最終產(chǎn)品為高α相氮化硅粉體，產(chǎn)品中硅含量在0.1％以下。硅粉作為晶化添加劑，可以在有效促進(jìn)非晶氮化硅粉晶化過程，大大縮短晶化時(shí)間的同時(shí)，完成硅粉自身的氮化。該方法生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、操作方便、快速節(jié)能、且產(chǎn)物純度高，特別適合通過非晶氮化硅粉來批量生產(chǎn)高α相含量的優(yōu)質(zhì)氮化硅粉。
文檔編號C04B35/584GK102060544SQ201010541470
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者尹少武, 李延輝, 楊福明, 王立 申請人:北京科技大學(xué)