[发明专利]一种适合氮化硅晶须生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合氮化硅晶须生长的方法。

背景技术

晶须是一种直径为纳米级至微米级的具有高度取向性的短纤维单晶材料，晶体内化学杂质少，无晶粒边界，晶体结构缺陷少，结晶相成分均一，长径比大，其强度接近原子间的结合力，是最接近于晶体理论强度的材料，具有很好的比强度和比弹性模量。特别是SiC与Si₃N₄两种晶须常作为增强组分加到金属基体、陶瓷基体和高分子基体中起增强、增韧作用，已广泛应用于机械、电子、化工、能源、航空航天及环保等众多领域。与SiC晶须相比，Si₃N₄晶须具有更优良的耐高温、高强度、高模量、低膨胀和良好的化学稳定性，被认为是增强金属和陶瓷材料的理想增强组元。随着先进的分析工具和生产技术装备的发展，人们对Si₃N₄晶须的结构和性能关系的研究逐步深入，开发了一系列新的Si₃N₄晶须制备技术和新的用途。Si₃N₄晶须不但自身具有高技术、高附加值的特点，而且对许多相关的高技术应用领域的发展起着至关重要的作用。

氮化硅晶须合成方法：Si₃N₄晶须有α相和β相，均属于六方晶系。其中αSi₃N₄为低温稳定型，βSi₃N₄为高温稳定型。目前制备Si₃N₄晶须的方法大体上可分为气相法、液相法、固相法三种，其生长机理主要有VLS(气-液-固)生长机理、VS(气固)生长机理、LS(液固)生长机理。VLS生长机理认为，体系中存在的金属原子能与其它组分形成共晶液滴，形成晶须的气体原料通过气-液-固界面层不断输入到共晶液滴中，达到了晶须生长的饱和度后，基体的表面将形成晶核进而析出晶体，然后晶须不断向上生长，最后残留在晶须顶端的液滴成为按照该机理生长的晶须的基本特征。VS生长机理只涉及固、气两相，整个生成过程不涉及液相存在，存在于气相中的硅和氮原子按螺型位错堆跺方式沿一维方向生长。晶须生长须具备3个基本条件：(1)活性气氛的存在；(2)基体表面有小的凸出面；(3)存在位错。气相反应的过饱和度对晶须的生长影响很大，当过饱和度较低时，易形成晶须；过饱和度较大时，形成等轴晶、颗粒状产物；过饱和度中等时，则形成片状、树枝状、小球形晶体。因此，如果饱和度控制不当将不会得到晶须。LS生长机理是通过液固反应成核生长晶须。具体制备Si₃N₄晶须的方法有许多：化学气相沉积法、直接氮化法、含硅氧化物碳热还原法、卤化硅气相氨分解法、自蔓延法等。

但用以上方法制备Si₃N₄晶须均不很理想，如存在产率低、环境污染、制备设备复杂等方面问题。即使目前已经在许多地方实现工业化生产的利用自蔓延高温合成制备Si₃N₄晶须的方法也还有许多不足之处，进一步探求更先进的制备Si₃N₄晶须的方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供成本低，产量大的一种适合氮化硅晶须生长的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

铁族-Si合金熔体，Si原子百分数为50％-70％，原料置于石墨坩锅内，然后盖上同样直径大小的石墨片于装有原料的坩锅上，将这个装置放入真空高温烧结炉内，抽真空至0.01Pa，然后充高纯氮气到400Pa，关闭真空泵，1500℃-1800℃下保温1-3个小时，保温结束后以关掉电源自然冷却至室温，反应结束后，在石墨片及坩埚内壁上生成相当数量的Si₃N₄晶须。

所述的铁族-Si合金熔体为Fe-Si、Co-Si或Ni-Si合金。生成的Si₃N₄晶须形状为线形，直径在100-200纳米之间。

本发明具有的有益效果是：

1)生长的Si₃N₄晶须纯度高，Si₃N₄晶须的长度长，能达到几个毫米；

2)Si₃N₄晶须生长过程中反应相的蒸汽压容易控制，确保低的蒸汽压；