【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，特別涉及一種納米氮化硅粉的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化硅(si3n4)陶瓷的洛氏硬度為hra90-92，僅次于金剛石，遠遠超過耐磨鋼和不銹鋼及氧化鋁、氧化鋯陶瓷；氮化硅陶瓷的耐磨性相當于錳鋼的500倍，氧化鋁耐磨片的10倍；氮化硅陶瓷的密度為3.2g/cm3，僅為鋼鐵的一半不到，用于實際中可以大大減輕產(chǎn)品的重量。同時，氮化硅陶瓷耐高溫，可在1300度的環(huán)境下長期使用不老化；并且可以承受其他材料不能承受的高輕度的熱沖擊，在急速升溫和降溫的狀況下也不會有損傷；除此之外，氮化硅陶瓷還耐酸堿腐蝕，高溫抗氧化，因此氮化硅陶瓷廣泛應(yīng)用于電子、軍工、冶金、機械、化工等重要領(lǐng)域。然而，氮化硅作為原子晶體，si-n結(jié)合力強，極難燒結(jié)，燒結(jié)體難于達到致密。解決這個問題的主要手段是在燒結(jié)過程中采用納米級的原料粉體。由于粉體粒度小，活性高，容易在較低溫度下獲得致密體，因此，如何制備得到納米粉體是研究者關(guān)注的熱點。
氮化硅的制備方法主要有直接氮化法、碳熱還原法、鞋酰亞胺分解法、等離子法等方法，但各自均有缺點，直接氮化法由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生巨大熱量，使反應(yīng)溫度波動較大，難于控制，因此產(chǎn)物顆粒不均勻，同時部分硅粉因為反應(yīng)生成的氮化硅的阻擋，與氮氣接觸不充分，因此并沒有進行反應(yīng)，留在產(chǎn)物中導致雜質(zhì)比例較大。熱還原法在制備氮化桂的過程中很容易同時生成碳化硅，因此產(chǎn)物不純。鞋酰亞胺分解法制備氮化硅的生產(chǎn)條件要求比較苛刻，成本比較高，而且產(chǎn)物中會含有較多的氯離子。等離子法生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量較低。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種顆粒均勻純度高的納米氮化硅粉體的制備方法。
本發(fā)明公開一種納米氮化硅粉體的制備方法，將重量比例為100：1-100的硅粉與氮化硅粉的混合體及氮化硅球置于管式旋轉(zhuǎn)加熱爐里，在1100-1600℃氮氣氛圍里氮化反應(yīng)1-20h，冷卻后得到納米氮化硅粉體。
優(yōu)選地，將所述硅粉在與氮化硅粉混合之前進行預(yù)處理，該預(yù)處理是將硅粉經(jīng)球磨機進行粉碎，然后在超音波下進行粉碎，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥。
優(yōu)選地，所述硅粉的顆粒尺寸為10-1000nm，純度為90-99.999％；所述氮化硅粉的純度為90-99.999％
優(yōu)選地，所述混合體的混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化硅材質(zhì)。
優(yōu)選地，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐在加熱過程中旋轉(zhuǎn)，使內(nèi)部粉末能夠均勻并且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應(yīng)。
優(yōu)選地，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐內(nèi)部氮氣氛圍為純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合體。
優(yōu)選地，所述氮化硅粉為α-si3n4、β-si3n4、無定形態(tài)si3n4的一種或多種。
優(yōu)選地，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐的升溫速度為1-20℃/min。
優(yōu)選地，所述氮化硅球的純度為50-99.999％，數(shù)量大于等于1個。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的制備方法在硅粉中加入氮化硅粉，該氮化硅粉在1800℃以下均能穩(wěn)定存在，且不受溫度影響，因此在硅粉與氮氣反應(yīng)過程中在一定程度上能夠抑制溫度快速上升，使反應(yīng)在穩(wěn)定的溫度下進行，因此生成物的產(chǎn)物尺寸均一；另一方面，在反應(yīng)過程中，燒結(jié)爐可以旋轉(zhuǎn)，使得內(nèi)部的粉末能夠均勻受熱，同時在氮化硅球的研磨和攪拌作用下，且在高溫狀態(tài)下，生成的氮化硅粉末極易被粉碎，粉末顆粒變小的同時能夠讓原先在內(nèi)部的硅粉與氮氣充分接觸，從而反應(yīng)更為充分，減少產(chǎn)物中硅雜質(zhì)的殘留。
【具體實施方式】
下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不局限于以下實施例。
本發(fā)明公開一種納米si3n4粉體的制備方法，硅粉在與氮化硅混合之前需進行預(yù)處理，該預(yù)處理過程是將硅粉經(jīng)球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然后在超音波下進行進一步粉碎，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥。將重量比例為100：1-100的硅粉與氮化硅粉的混合體及氮化硅球置于管式旋轉(zhuǎn)加熱爐里在1100-1600℃氮氣氛圍里進行氮化反應(yīng)，保持1-20h后隨爐冷卻后得到納米級氮化硅粉體。所述硅粉的顆粒尺寸為10-1000nm，純度為90-99.999％；所述si3n4的純度為90-99.999％。在反應(yīng)發(fā)生時，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐內(nèi)部氣氛為純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合。所述氮化硅粉為α-si3n4、β-si3n4、無定形態(tài)si3n4的一種或多種。加熱過程中的升溫速度為1-20℃/min。所述氮化硅球的純度為50-99.999％，數(shù)量大于等于1個。納米si3n4的產(chǎn)物粒徑分布為30-600nm。
實施例1
將500g顆粒尺寸為30nm，純度為99％的硅粉預(yù)處理，該預(yù)處理過程是將該硅粉經(jīng)球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然后在超音波下進行進一步粉碎，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥。然后將預(yù)處理后的硅粉與200g純度為99.9％的α-si3n4粉進行混合，混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化硅材質(zhì)，得到硅與氮化硅的混合體，然后與10個直徑為10mm的純度為99.9％的氮化硅球一并在管式旋轉(zhuǎn)加熱爐里進行氮化反應(yīng)，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐可在加熱過程中旋轉(zhuǎn)，使粉末能夠均勻并且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應(yīng)；升溫速度為20℃/min，溫度為1200℃，內(nèi)部氣氛為純氮氣，反應(yīng)10h，隨爐冷卻后得到納米si3n4，產(chǎn)物粒徑分布為30-500nm。
實施例2
將500g顆粒尺寸為30nm，純度為99％的硅粉預(yù)處理，該預(yù)處理過程是將該硅粉經(jīng)球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然后在超音波下進行進一步粉碎，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥。然后將預(yù)處理后的硅粉與300g純度為99.9％的α-si3n4粉進行混合，混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化硅材質(zhì)，得到硅與氮化硅的混合體，然后與10個直徑為10mm的純度為99.9％的氮化硅球一并在管式旋轉(zhuǎn)加熱爐里進行氮化反應(yīng)，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐可在加熱過程中旋轉(zhuǎn)，使粉末能夠均勻并且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應(yīng)；升溫速度為20℃/min，溫度為1300℃，內(nèi)部氣氛為純氮氣，反應(yīng)5h，隨爐冷卻后得到納米si3n4，產(chǎn)物粒徑分布為40-600nm。
實施例3
將500g顆粒尺寸為30nm，純度為99％的硅粉預(yù)處理，該預(yù)處理過程是將該硅粉經(jīng)球磨機進行粉碎，消除粉末團聚，然后在超音波下進行進一步粉碎，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥。然后將預(yù)處理后的硅粉與500g純度為99.9％的α-si3n4粉進行混合，混合方式為球磨混合，混合液為無水乙醇，球磨小球為氮化硅材質(zhì)，得到硅與氮化硅的混合體，然后與10個直徑為10mm的純度為99.9％的氮化硅球一并在管式旋轉(zhuǎn)加熱爐里進行氮化反應(yīng)，所述管式旋轉(zhuǎn)加熱爐可在加熱過程中旋轉(zhuǎn)，使粉末能夠均勻并且充分受熱，同時與氮氣充分接觸反應(yīng)；升溫速度為20℃/min，溫度為1400℃，內(nèi)部氣氛為純氮氣，反應(yīng)2h，隨爐冷卻后得到納米si3n4，產(chǎn)物粒徑分布為30-400nm。
本發(fā)明的制備方法在硅粉中加入氮化硅(si3n4)粉，該氮化硅粉在1800℃以下均能穩(wěn)定存在，且不受溫度影響，因此在硅粉與氮氣反應(yīng)過程中在一定程度上能夠抑制溫度快速上升，使反應(yīng)在穩(wěn)定的溫度下進行，因此生成物的產(chǎn)物尺寸均一；另一方面，在反應(yīng)過程中，燒結(jié)爐可以旋轉(zhuǎn)，使得內(nèi)部的粉末能夠均勻受熱，同時在氮化硅球的研磨和攪拌作用下，且在高溫狀態(tài)下，生成的氮化硅粉末極易被粉碎，粉末顆粒變小的同時能夠讓原先在內(nèi)部的硅粉與氮氣充分接觸，從而反應(yīng)更為充分，減少產(chǎn)物中硅雜質(zhì)的殘留。
上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明技術(shù)方案所做出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。