專利名稱：低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無機(jī)非金屬材料的制備方法，尤其是一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法。
背景技術(shù)：
氮化硅或氮化硅鐵主要通過硅粉或硅鐵粉和氮?dú)庵苯臃磻?yīng)來合成，該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，非常適合采用燃燒合成工藝來制備。因此自燃燒合成技術(shù)被前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以用來合成Si3N4以來，美日等許多國(guó)家逐漸展開了燃燒合成氮化物的研究工作。但以上技術(shù)都是在較高的氮?dú)鈮毫ο逻M(jìn)行生產(chǎn)，目前報(bào)道的最低氮?dú)鈮毫σ苍?MPa以上，由于高壓容器很難大型化，限制了該技術(shù)的規(guī)?；a(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)的粉體價(jià)格昂貴。為了實(shí)現(xiàn)燃燒合成工藝合成氮化物粉體的規(guī)模化生產(chǎn)，充分發(fā)揮燃燒合成工藝能耗低及生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)，降低燃燒合成氮化物粉體的氮?dú)鈮毫Τ蔀殛P(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可規(guī)?；a(chǎn)的低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明以硅粉或硅鐵粉為原料，其工藝步驟為
A、按下述重量百分比配制反應(yīng)料硅粉或硅鐵粉45 79%，稀釋劑20 50%，添加劑 1 5% ；
B、將上述配制后的反應(yīng)料混合后，在振動(dòng)球磨機(jī)中活化；
C、活化后的反應(yīng)料松裝于碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入點(diǎn)火料；
D、將裝有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中；抽真空、通入低壓氮?dú)猓项A(yù)熱溫度為 300 1000°C，控制氮?dú)鈮毫?. 01 1. OMPa ；引燃反應(yīng)劑，實(shí)現(xiàn)低壓燃燒合成；
E、將燃燒合成后的產(chǎn)品冷卻后，用研磨機(jī)制成粉末即得氮化硅或氮化硅鐵粉體。本發(fā)明所述硅粉或硅鐵粉的粒度為-325目。本發(fā)明所述步驟A中，稀釋劑為氮化硅或氮化硅鐵。本發(fā)明所述步驟A中，添加劑為氯化銨。本發(fā)明所述步驟B中，反應(yīng)料活化30min。本發(fā)明所述碳?xì)种瞥傻娜萜鞒叽鐬?00mmX50mmX80mm。本發(fā)明所述的點(diǎn)火料為鈦粉，其用量為15_50g。本發(fā)明所述步驟D中，采用機(jī)械真空泵將低壓容器內(nèi)的真空度抽至0. 09以上；控制氮?dú)鈮毫?. 01 1. OMPa，最佳壓力為0. 05 0. 5MPa ；原料預(yù)熱溫度為300 1000°C， 最佳為500 800°C，以每分鐘10 15°C的速率升。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于
1、傳統(tǒng)的燃燒合成氮化物的氮?dú)鈮毫Φ紫奘?MPa，有時(shí)甚至高達(dá)IOOMPa以上。不僅因設(shè)備投資提高了生產(chǎn)成本，同時(shí)也帶來了生產(chǎn)安全性的問題。本發(fā)明反應(yīng)壓力僅為0. 01 IMPa，無需特殊設(shè)備，設(shè)備成本低，且操作安全；
2、國(guó)內(nèi)氮化硅或氮化硅鐵粉體主要是在高溫(1000 1400°C)條件下合成，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)72小時(shí)以上，反應(yīng)周期長(zhǎng)，耗能高，本發(fā)明預(yù)熱溫度僅為500 800°C，反應(yīng)周期明顯縮短，能耗降低；
3、本發(fā)明采用機(jī)械活化減小粉料粒度，細(xì)化晶粒，提高反應(yīng)活性，同時(shí)加入價(jià)格便宜的反應(yīng)助劑，大幅降低反應(yīng)所用氮?dú)鈮毫?，從而?shí)現(xiàn)低壓低成本燃燒合成制備氮化硅或氮化硅鐵粉體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法的具體工藝步驟為
1、準(zhǔn)備原料以硅粉或硅鐵粉為原料，原料為一般工業(yè)級(jí)原料，粒度-325目；
2、配料將金屬硅粉或硅鐵粉和稀釋劑(氮化硅或氮化硅鐵)烘干，添加一定比例的添加劑(氯化銨)，混合成反應(yīng)料，然后在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；反應(yīng)料的重量百分含量為 硅粉或硅鐵粉45 79%，稀釋劑20 50%，添加劑1 5% ；
3、裝料活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX50mmX80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入點(diǎn)火料(鈦粉)，其用量為15 50g ；
4、抽真空采用機(jī)械真空泵將壓力容器內(nèi)的真空度0.09以上；
5、通氮?dú)獬淙氲獨(dú)?純度>99. 99%)到設(shè)定壓力；設(shè)定壓力為0. 01 1. OMPa，最好為 0. 05 0. 5MPa ；在預(yù)熱及反應(yīng)過程中通過自動(dòng)泄壓裝置，使反應(yīng)容器中的氮?dú)鈮毫S持在設(shè)定壓力；
6、預(yù)熱以每分鐘10 15°C的速率升到設(shè)定溫度；設(shè)定溫度為300 1000°C，最好為 500 800 °C ；
7、點(diǎn)燃通過電點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃點(diǎn)火料，進(jìn)而誘發(fā)燃燒合成反應(yīng)；
8、將燃燒合成后的產(chǎn)品冷卻后，用研磨機(jī)制成粒度為-325目的粉末即得氮化硅或氮化硅鐵粉體。實(shí)施例1 將金屬硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅粉 67wt%、氮化硅30wt%、氯化銨3wt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX 50mmX 80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，并在反?yīng)料的前端加入50g鈦粉；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. 05MPa的低壓氮?dú)?純度彡99. 99%)，以每分鐘15°C的速率升到800°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得的氮化硅，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T174. 1-2000檢測(cè)，其含量為 96.5wt%。實(shí)施例2 將硅鐵粉和氮化硅鐵烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅鐵粉67wt%、氮化硅30wt%、氯化銨3wt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX50mmX80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，并在反?yīng)料的前端加入50g鈦粉；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. 05MPa的低壓氮?dú)?純度彡99. 99%)，以每分鐘15°C的速率升到800°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅鐵粉體。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得氮化硅鐵，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TO/T4239-2010檢測(cè)，其中氮化硅 77. 2wt% ；Fe :13. lwt%。實(shí)施例3 將金屬硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅粉 45wt%、稀釋劑50wt%、氯化銨5wt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX50mmX80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入15g點(diǎn)火料；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. 5MPa的低壓氮?dú)?純度≥99. 99%)，以每分鐘10°C的速率升到500°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅粉體。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得氮化硅，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T174. 1-2000檢測(cè)，其含量為 97wt%。實(shí)施例4 將硅鐵粉和氮化硅鐵烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅鐵粉45wt%、稀釋劑50wt%、氯化銨5wt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX50mmX80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦校诜磻?yīng)料的前端加入15g點(diǎn)火料；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. 5MPa的低壓氮?dú)?純度≥99. 99%)，以每分鐘10°C的速率升到500°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅鐵粉體。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得氮化硅鐵，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T4239-2010檢測(cè)，其中氮化硅 76. 5wt% ；Fe :13. lwt%。實(shí)施例5 將金屬硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅粉 79wt%、稀釋劑20wt%、氯化銨lwt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX 50mmX 80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入30g點(diǎn)火料；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. 2MPa的低壓氮?dú)?純度≥99. 99%)，以每分鐘12°C的速率升到700°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅粉體。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得氮化硅，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T174. 1-2000檢測(cè)，其含量為 97wt%。實(shí)施例6 將硅鐵粉和氮化硅鐵烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅鐵粉79wt%、稀釋劑20wt%、氯化銨lwt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX 50mmX 80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入30g點(diǎn)火料；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. 2MPa的低壓氮?dú)?純度≥99. 99%)，以每分鐘12°C的速率升到700°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅鐵粉體。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得氮化硅鐵，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TO/T4239-2010檢測(cè)，其中氮化硅 76. 9wt% ；Fe :15. 5wt%。實(shí)施例7 將金屬硅粉和氮化硅烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅粉 67wt%、氮化硅30wt%、添加劑3wt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX50mmX80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦校⒃诜磻?yīng)料的前端加入50g鈦粉；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入0. OlMPa的低壓氮?dú)?純度≥99. 99%)，以每分鐘15°C的速率升到300°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得
氮化硅。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得的氮化硅，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T174. 1-2000檢測(cè)，其含量為 96.6wt%。實(shí)施例8 將硅鐵粉和氮化硅鐵烘干，然后添加氯化銨，配制成反應(yīng)料；其中硅鐵粉67wt%、氮化硅30wt%、氯化銨3wt% ；反應(yīng)料在振動(dòng)球磨機(jī)中活化30min ；活化后的反應(yīng)料松裝于長(zhǎng)500mmX50mmX80mm的碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，并在反?yīng)料的前端加入50g鈦粉；將盛有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中，抽真空后充入1. OMPa的低壓氮?dú)?純度彡99. 99%)，以每分鐘15°C的速率升到1000°C，經(jīng)電點(diǎn)火后燃燒合成；反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻，經(jīng)研磨機(jī)研磨得氮化硅鐵粉體。按本實(shí)施例生產(chǎn)所得氮化硅鐵，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TO/T4239-2010檢測(cè)，其中氮化硅 77. 4wt% ；Fe :13. 2wt%。
權(quán)利要求
1.一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法，其以硅粉或硅鐵粉為原料，其特征在于，該方法的工藝步驟為A、按下述重量百分比配制反應(yīng)料硅粉或硅鐵粉45 79%，稀釋劑20 50%，添加劑 1 5% ；B、將上述配制后的反應(yīng)料混合后，在振動(dòng)球磨機(jī)中活化；C、活化后的反應(yīng)料松裝于碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入點(diǎn)火料；D、將裝有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中；抽真空、通入低壓氮?dú)?，原料預(yù)熱溫度為 300 1000°C，控制氮?dú)鈮毫?. 01 1. OMPa ；引燃反應(yīng)劑，實(shí)現(xiàn)低壓燃燒合成；E、將燃燒合成后的產(chǎn)品冷卻后，用研磨機(jī)制成粉末即得氮化硅或氮化硅鐵粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法，其特征在于 所述硅粉或硅鐵粉的粒度為-325目。
3.如權(quán)利要求1所述的低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法，其特征在于所述步驟A中，稀釋劑為氮化硅或氮化硅鐵。
4.如權(quán)利要求1所述的低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法，其特征在于所述步驟A中，添加劑為氯化銨。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的任意一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法， 其特征在于所述步驟B中，反應(yīng)料活化30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的任意一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法， 其特征在于所述碳?xì)种瞥傻娜萜鞒叽鐬?00mmX50mmX80mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的任意一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法， 其特征在于所述的點(diǎn)火料為鈦粉，其用量為15 50g。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的任意一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法， 其特征在于所述步驟D中，采用機(jī)械真空泵將低壓容器內(nèi)的真空度抽至0. 09以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的任意一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法， 其特征在于所述步驟D中，氮?dú)鈮毫?. 05 0. 5MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的任意一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法， 其特征在于所述步驟D中，原料預(yù)熱溫度為500 800°C，以每分鐘10 15°C的速率升。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低壓預(yù)熱燃燒合成氮化硅或氮化硅鐵的方法，其以硅粉或硅鐵粉為原料，該方法的工藝步驟為A、按下述重量百分比配制反應(yīng)料硅粉或硅鐵粉45～79%，稀釋劑20～50%，添加劑1～5%；B、將上述配制后的反應(yīng)料混合后，在振動(dòng)球磨機(jī)中活化；C、活化后的反應(yīng)料松裝于碳?xì)种瞥傻娜萜髦?，在反?yīng)料的前端加入點(diǎn)火料；D、將裝有反應(yīng)料的容器置于低壓容器中；抽真空、通入低壓氮?dú)?，原料預(yù)熱溫度為300～1000℃，控制氮?dú)鈮毫?.01～1MPa；引燃反應(yīng)劑，實(shí)現(xiàn)低壓燃燒合成；E、將燃燒合成后的產(chǎn)品冷卻后，用研磨機(jī)制成粉末即得氮化硅或氮化硅鐵粉體。
文檔編號(hào)C01B21/068GK102219194SQ201110125888
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者劉得順, 徐錦標(biāo), 楊連弟, 王京甫, 王福, 鄒藝峰, 郭金硯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院唐山高新技術(shù)研究與轉(zhuǎn)化中心