一種利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用硅納米管制備高α相氮化硅的方法，包括以下步驟：S1、將外徑為50?500nm，內(nèi)徑為20?300nm，比表面積為20?100m2/g的硅納米管在氮氣中進行高溫氮化，所述高溫氮化的溫度為1220～1370℃，保溫時間為12～28h，得到產(chǎn)物1；S2、將S1后的產(chǎn)物1進行行星式高能球磨，所述行星式高能球磨的轉(zhuǎn)速為1000r/min，時間為20?30h，本發(fā)明的制備方法工藝簡單、性能可控，且生產(chǎn)周期短、極大地降低了生產(chǎn)能耗，特別適合制備超高α相氮化硅。
【專利說明】
一種利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及氮化硅的制備領(lǐng)域，尤其涉及一種利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅是一種應(yīng)用廣泛的特種陶瓷材料。其具有耐高溫、比重小、強度高、硬度大、耐磨損等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、軍工、冶金、醫(yī)療等行業(yè)。
[0003]為了得到高強度、高硬度的氮化硅陶瓷，往往以高α相的氮化硅粉作為原料。這是由于在氮化硅高溫?zé)Y(jié)過程中，α相可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罨蛘哚槧畹摩孪?，這種具有一定長寬比的β相將會像增韌纖維一樣，有助于氮化硅陶瓷強度、硬度的提高。因此，制備α相含量高氮化硅粉體具有實際的科研意義和應(yīng)用價值。
[0004]但是，α相是氮化硅的一種亞穩(wěn)態(tài)相，而硅粉氮化反應(yīng)是一種強放熱反應(yīng)，所以，在硅的高溫氮化過程中，反應(yīng)熱放出的熱量很容易使反應(yīng)體系過熱，使得α相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)相相。工業(yè)上一般解決此問題的辦法是在反應(yīng)原料-硅粉中添加大量的氮化硅作為分散劑，以疏散反應(yīng)熱，抑制燒結(jié)。但是，這樣將極大增加成本，降低生產(chǎn)效率。并且效果有限，并不能得到超高α的氮化硅。
[0005]為了解決硅粉在氮化反應(yīng)時劇烈放熱使得反應(yīng)體系過熱，使得生成的α相含量不高的問題，國內(nèi)外的專家做了大量的研究。
[0006]其中，F(xiàn)ukuhira等人在公開號為US5441694A的美國專利文獻中公開了一種制備高α相氮化硅的方法，即在硅粉氮化體系中添加Cu或者Cu的化合物作為催化劑，使得反應(yīng)溫度降低，反應(yīng)時間縮短。此外，Cu良好的導(dǎo)熱能力可以幫助體系更順利的將熱量導(dǎo)出，從而降低體系過熱的可能性，提高α相的含量。但是，由于Cu和Si的密度相差很大，反應(yīng)前難以將兩者混合均勻，而且反應(yīng)后Cu作為雜質(zhì)殘留在氮化硅中，將影響氮化硅燒結(jié)的性能。
[0007]James.P等人在公開號為US25519124的美國專利中也提出一種硅粉氮化的前處理工藝，即在高溫氮化前，先在一定的溫度和氫氣氣氛下對硅粉進行預(yù)先的熱處理，其中，溫度為200?800°C，氣氛中氫氣含量為25?100% (V% )。這是由于低溫下氫氣可以將娃表面的氧化層還原去除，有助于后續(xù)的氮化反應(yīng)的進行。雖然此方案可以有效縮短反應(yīng)時間，但是，200?800°C高溫下使用氫氣濃度較高的混合氣是有一定的危險性的，不符合工業(yè)化的安全生產(chǎn)的要求。
[0008]公開號為CN102173396A的中國專利中提出了使用旋轉(zhuǎn)爐制備高α相氮化硅的辦法。在硅粉氮化反應(yīng)期間，轉(zhuǎn)動爐管，使得反應(yīng)物在爐管中翻轉(zhuǎn)，這有利于硅粉和氮氣充分的接觸，并有利體系的散熱，可以有效的提高產(chǎn)物中α相的含量。但是，高溫下旋轉(zhuǎn)的爐管很容易變形和斷裂，這也不符合穩(wěn)定安全的生產(chǎn)要求。
[0009]此外，公開號為CN102245503A的中國專利中提出了使用兩步法硅粉氮化的方案，此方案中，硅粉先在圓柱形回轉(zhuǎn)爐的1150?1250°C的溫區(qū)中部分氮化，然后轉(zhuǎn)移到1250?1350°C的溫區(qū)中完全氮化。雖然此方案也可以在一定程度上提高α相的含量，但是對設(shè)備要求很高，而且操作過程復(fù)雜，第一步氮化的程度難以控制，重復(fù)性較差，也不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供了一種利用硅納米管制備高α相氮化硅的方法，其方法簡單高效，特別是可以得到超高α相的氮化硅。
[0011 ] 一種利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法，步驟如下:
[0012]S1、將外徑為50-500nm，內(nèi)徑為20-300nm，比表面積為20-100m2/g的硅納米管在氮氣中進行高溫氮化，所述高溫氮化的溫度為1220?1370°C，保溫時間為12?28h，得到產(chǎn)物I;
[0013]S2、將SI后的產(chǎn)物I進行行星式高能球磨，所述行星式高能球磨的轉(zhuǎn)速為100r/min，時間為20-30h，成品。
[0014]進一步優(yōu)選，所述硅納米管的外徑為50-200nm，內(nèi)徑為20-100nm，比表面積為50-100m2/g。最優(yōu)選，所述娃納米管的外徑為50_100nm，內(nèi)徑為20_80nm，比表面積為70_100m2/g。以其為原料，制備得到的氮化硅中α相含量最高。
[0015]作為優(yōu)選，所述高溫氮化的溫度為1220?1370°C，保溫時間為12?28h。
[0016]作為優(yōu)選，所述行星式球磨的轉(zhuǎn)速為1000r/min，時間為20-30h。
[0017]本發(fā)明以硅納米管為原料，首先，其比表面積可以達到100m2/g，這樣大的比表面積可以大幅度增加氮氣與硅的接觸面積，提高反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)所需的時間；其次，本發(fā)明采用的硅納米管結(jié)構(gòu)特殊，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在硅與氮氣反應(yīng)的時候，其釋放的大量的熱量可以通過其自身的管路通道得到很好的疏導(dǎo)與散失，有效的控制反應(yīng)體系的溫度，抑制硅粉的自燒結(jié)，進而獲得超高α相含量的氮化硅。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法實施例1中制備產(chǎn)物的XRD圖譜；
[0019]圖2為本發(fā)明的利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法實施例2中制備產(chǎn)物的XRD圖譜；
[0020]圖3為本發(fā)明的利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法實施例3中制備產(chǎn)物的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0021]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。
[0022]實施例1:
[0023]取用硅納米管為原料，其外徑為400nm，內(nèi)徑為250nm，比表面積為24m2/g。在氮氣氣氛下，于1350°C保溫25h，即可得到疏松的高α相氮化硅;再使用行星式球磨機對得到的氮化娃進行行星式高能球磨。其球磨轉(zhuǎn)速為100r/min，時間為30h，即可得到粒度分布均勾的超高α相氮化硅。
[0024]將本實施例制備的產(chǎn)物進行X射線能譜分析(XRD)，結(jié)果如圖1所示，α相含量為94.8%。
[0025]實施例2:
[0026]取用硅納米管為原料，其外徑為150nm，內(nèi)徑為85nm，比表面積為75m2/g。在氮氣氣氛下，于1300°C保溫22h，即可得到疏松的高α相氮化硅;再使用行星式球磨機對得到的氮化娃進行行星式高能球磨。其球磨轉(zhuǎn)速為1000r/min，時間為26h，即可得到粒度分布均勾的超高α相氮化硅。
[0027]將本實施例制備的產(chǎn)物進行X射線能譜分析(XRD)，結(jié)果如圖2所示，α相含量為97.9%。
[0028]實施例3:
[0029]取用硅納米管為原料，其外徑為75nm，內(nèi)徑為30nm，比表面積為90m2/g。在氮氣氣氛下，于1250°C保溫20h，即可得到疏松的高α相氮化硅;再使用行星式球磨機對得到的氮化娃進行行星式高能球磨。其球磨轉(zhuǎn)速為1000r/min，時間為22h，即可得到粒度分布均勾的超高α相氮化硅。
[0030]將本實施例制備的產(chǎn)物進行X射線能譜分析(XRD)，結(jié)果如圖3所示，α相含量為99.1%。
[0031]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或以示例及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。
[0032]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項】
1.一種利用硅納米管制備超高α相氮化硅的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、將外徑為50-500nm，內(nèi)徑為20-300nm，比表面積為20-100m2/g的硅納米管在氮氣中進行高溫氮化，所述高溫氮化的溫度為1220?1370°C，保溫時間為12?28h，得到產(chǎn)物I; 52、將SI后的產(chǎn)物I進行行星式高能球磨，所述行星式高能球磨的轉(zhuǎn)速為1000r/min，時間為20-30h，成品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米管制備超高α相氮化硅的方法，其特征在于，所述硅納米管的外徑為50-200nm，內(nèi)徑為20-10011111，比表面積為50-1001112/803.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅納米管制備高α相氮化硅的方法，其特征在于，所述硅納米管的外徑為50-10011111，內(nèi)徑為20-8011111，比表面積為70-1001112/80
【文檔編號】C04B35/65GK105884374SQ201610416082
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】趙立旸, 戎華, 李欽稿, 杜英
【申請人】杭州硅諾科技有限公司