[发明专利]迭代法燃烧合成β－Si3N4纤维的制备技术

说明书

技术领域

本发明涉及利用迭代法燃烧合成β-Si₃N₄纤维的制备技术，属于无机非金属材料科学领域，可应用于化工、机械、航空航天、冶金、电子等材料制备领域。

背景技术

氮化硅陶瓷是非氧化物结构陶瓷材料的典型代表，长期以来，国际材料界一直致力于开发其力学性能方面的应用。高性能氮化硅陶瓷材料具有高硬度、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异的综合性能。在化工、机械、航空航天、冶金、电子等领域获得了广泛的应用。但氮化硅陶瓷材料的脆性一直是其致命的弱点，在陶瓷材料内部一旦产生裂纹，便很容易扩展，从而导致断裂。为了提高氮化硅陶瓷材料的韧性，国内外研究者普遍采用的材料增韧技术为颗粒弥散增韧、纤维或晶须补强增韧。对任何一种Si₃N₄材料，室温强度和断裂韧性首先取决于β-Si₃N₄的长径比，其次才是颗粒尺寸。高长径比能使性能改善的理由是：互相连接的长颗粒较好的抵抗裂缝的扩展，因为这时裂缝要发生分支、偏转，才能产生颗粒拔出，这些都使裂缝扩展所需的能量有所提高。β-Si₃N₄纤维具有高强度、高模量、耐高温和良好的化学稳定性，是一种理想的陶瓷材料纤维补强增韧剂。

目前β-Si₃N₄纤维的制备方法主要是采用某种硅源，在氮气或氨气气氛下，高温(1200～1700℃)长时间保温氮化反应的方法。普遍存在设备复杂、生产周期长、制备工艺复杂、成本高的缺点。例如以非晶硅和硅二亚胺为原料，在氮气气氛中，1200～1700℃，反应时间均在16小时以上，才能获得β-Si₃N₄纤维。

燃烧合成技术具有设备及工艺简单、节约能源、合成产物纯度高、生产周期短等诸多优点，其主要特点是：利用外部提供必要的能量，诱发高放热化学反应体系发生局部化学反应(该过程称为点燃)，形成化学反应前沿(即燃烧波)，此后化学反应在其自身放出热量的维持下，继续前行，表现为燃烧波蔓延至整个反应体系，最终获得合成材料。迄今利用该技术已成功制备出AlN、Si₃N₄、TiN、TiC、SiC等500多种陶瓷材料。

迭代法燃烧合成技术是指利用具有一定特征的燃烧合成产物作为迭代晶种，按一定配方和工艺，根据不同的产品性能要求，进行数次循环迭代燃烧合成制备，最终获得所需性能的燃烧合成产物。采用迭代法燃烧合成技术制备β-Si₃N₄纤维至今未见报道。

发明内容

本发明的目的在于利用迭代法燃烧合成技术制备出性能优异的β-Si₃N₄纤维。

本发明的主要内容为：

迭代法燃烧合成β-Si₃N₄纤维的制备技术，包括配料、混合、高温燃烧合成反应、迭代燃烧合成。

本发明是以燃烧合成产物为迭代晶种，加入一定量的纤维生长助剂，进行一定次数的迭代燃烧合成，制备出性能可控的β-Si₃N₄纤维。

其主要制备工艺为：

1)以氮化硅迭代晶种和硅粉为反应起始原料，两者按照一定比例均匀混合；

2)纤维生长助剂采用铵盐中的一种或两种以上混合使用；

3)将含有纤维生长助剂的反应物料充分混合后，冷压成型为具有一定相对密度的反应物生坯；

4)将装有反应物料的石墨坩埚置于高压容器中，在一定的氮气压下，通电点火，实现高温燃烧合成，反应后的产物在氮气保护下随炉冷却；

5)将上述合成的β-Si₃N₄纤维作为迭代晶种，按1)至4)步骤循环迭代燃烧合成，即可获得晶体结构完整、表面光滑，β相含量达到98％以上的β-Si₃N₄纤维。

原料中氮化硅迭代晶种和金属硅粉混合比例分别为：氮化硅晶种占30～60wt％，硅粉占40～70wt％。

纤维生长助剂为铵盐中的一种或两种以上混合使用，加入量为硅粉和Si₃N₄混合后总重量的0.5～10wt％。

原料混合均匀后，冷压成型相对密度为30～50％。

燃烧合成反应的氮气压力为3～15MPa。