[发明专利]一种基于催化氮化的氮化硅粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氮化物粉体技术领域。具体涉及一种基于催化氮化的氮化硅粉体及其制备方法。

背景技术

氮化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有强度高、硬度大、高温蠕变小、抗热震稳定性好、耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好等优异特性，被广泛应用于机械、化工、热工及航空航天等领域。氮化硅粉体是制备高性能氮化硅陶瓷的基础， 氮化硅粉体的制备及性能对氮化硅陶瓷的制备具有举足轻重的作用。

目前，氮化硅粉体的制备方法主要有：碳热还原二氧化硅法、自蔓延法、热分解法、气相反应法和硅粉直接氮化法等。

碳热还原二氧化硅法中SiO₂难以被完全还原氮化，反应中易生成SiC，且反应温度高(1400~1550℃)和能耗大。自蔓延法制备氮化硅粉体的纯度高，且制备过程中具有节能和省时的优点；但该方法对设备要求较高、生产成本昂贵和难以大规模工业化。热分解法制得的氮化硅粉体纯度高、粒径小和烧结性能好，但成本高和能耗大(1400~1600℃热分解)，且工艺复杂，大规模的工业化应用受到限制。气相反应法虽然能在短时间内制得高纯度氮化硅粉体，但成本高，不易于工业化生产。

硅粉直接氮化法是应用最广泛的氮化硅粉体的制备方法，该方法具有工艺简单、设备要求低和成本相对较低等优点。但也存在氮化温度高(≥1400℃)、氮化周期长和能源浪费严重等问题，且氮化硅的形貌难控制，不能制得晶须状氮化硅。近年来，为制得质优价廉的氮化硅粉体，研究人员在硅粉氮化过程中加入催化剂如铁粉、氯化铁、钴盐等(刘松喆,直接氮化法制备Si₃N₄粉体过程研究[J]. 稀有金属材料与工程. 2008, 37(1):378-381；CN 101983947A；CN103496679A)，该方法虽然提高了氮化率，且能制得不同形状的氮化硅粉体，但铁的加入降低了氮化硅粉体的高温性能，而钴盐价格相对较高，难以工业化生产。

总之，现有的氮化硅粉体制备技术都存在一些不足：成本高，反应温度高，氮化周期长，纯度低，工艺过程复杂，不易控制，粉体不呈晶须状等，极大地限制了氮化硅粉体的应用和产业化生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种反应温度低、成本低、氮化周期短、工艺过程简单、易于控制和产率高的基于催化氮化的氮化硅粉体的制备方法；用该方法制备的基于催化氮化的氮化硅粉体纯度高、粉体粒径小且部分为晶须状。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的制备步骤是： 

步骤一、按分散剂︰硅粉︰蒸馏水的质量比为1︰200︰(10000~16000)，将分散剂、硅粉和蒸馏水混合，搅拌20~30min，再超声分散20~30min，制得悬浮液。 

步骤二、向所述悬浮液中加入浓度为0.88mol/L的水溶铬盐，制得混合液；其中，水溶铬盐的加入量是Si︰Cr₂O₃的质量比为1︰(0.005~0.050)。

步骤三、在搅拌条件下，向所述混合液中加入沉淀剂至pH值为7.5~8.5，继续搅拌0.5~1h；抽滤，真空干燥10~12h，制得混合粉体。

步骤四、将所述混合粉体置于管式气氛炉内，在氮气气氛和升温速率为2~8℃/min的条件下升温至1250~1400℃，保温2~8h，即得基于催化氮化的氮化硅粉体。

所述硅粉中的Si含量≥95wt%，粒径≤88μm。

所述分散剂为聚乙烯醇、十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种，聚乙烯醇的纯度、十二烷基苯磺酸钠的纯度和聚乙烯吡咯烷酮的纯度为分析纯或为工业纯。

所述水溶性铬盐为氯化铬或为硝酸铬；氯化铬的纯度和硝酸铬的纯度为分析纯或为工业纯。

所述沉淀剂为尿素、氨水和水合肼中的一种，尿素的纯度、氨水的纯度和水合肼的纯度为分析纯或为工业纯。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

1、本发明采用氧化铬纳米粉体作为催化剂，催化硅粉氮化。硅粉在1250~1400℃下被完全氮化。故本发明产率高、合成温度低和氮化周期短。

2、本发明利用纳米粉体控制晶须生长，所得基于催化氮化的氮化硅颗粒粒径小，晶须的直径为120~180nm，长径比为15~25；合成的晶须为氮化硅。

3、本发明在反应过程中仅引入微量的纳米催化剂，无其他杂质，产品纯度高。

4、本发明的原料来源广泛和价格低廉，生产成本低，具有很大的产业化前景。