[发明专利]一种高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线的制备方法

说明书

本发明提供了一种高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线的制备方法，属于非氧化物陶瓷材料的制备技术领域。本发明将一定粒径的硅粉在无任何稀释剂、金属及金属盐催化剂的条件下，通过氨气预处理后将氮化气氛转换为氮氢氩混合气，在慢速升温、分段保温、逐步降低辅助氩气的条件下反应生成高α相氮化硅堆积体软块，其上覆有大量超长氮化硅纳米线，将超长氮化硅纳米线剥离后，将疏松堆积体软块通过细化处理可获得高α相氮化硅粉体。本发明可以在无任何添加剂的情况下，通过硅粉氮化直接同步制备高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线。

技术领域

本发明为一种高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线的制备方法，属于非氧化物陶瓷材料的制备技术领域。

背景技术

氮化硅材料具有耐高温、高强度、高硬度、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、抗蠕变、结构稳定等优良的综合性能，不仅被广泛应用于冶金、机械、化工等传统行业，在航空航天、电子电器、光伏、风电、军工及核工业等战略性新兴领域也占据一席之地。高α相氮化硅粉体原料的合成则是制备性能优良的氮化硅陶瓷的关键。超长氮化硅纳米线是氮化硅材料的一维纳米结构形式，凭借其特殊的晶体结构、优异的物理化学性能已成为研究热点。氮化硅纳米线是一种优异的复合材料增强体，同时作为一种一维宽带隙半导体材料，在纳米电子器件、光子器件等领域也有重要的应用。

在商业化的α相氮化硅粉体制备方面，主要有硅亚胺热解法、碳热还原氧化硅法、自蔓延高温合成法和硅粉直接氮化硅法。硅粉直接氮化法是商业化最为成熟的制备氮化硅粉体的生产工艺，市售的氮化硅粉体大多用该法生产。该方法具有工艺流程简单，对设备要求不高，可实现大规模生产等优点。为提高硅粉直接氮化法生产氮化硅粉体技术中的产品转化率和α相含量，一般需添加稀释剂和金属或金属盐催化剂，同时，该方法还普遍存在生产周期漫长、能耗高、产物杂质含量高、粒径分布宽、形貌不规则、伴生大量棒状晶、直接得到的硬块氮化硅需经破碎处理等突出缺点。

当前氮化硅纳米线的制备方法主要有硅粉或硅片氮化法、碳热还原法、聚合物裂解法、化学气相沉积法、模板法等。这些方法普遍存在工艺过程复杂、产物形貌不易控制、一维化程度低、成本较高、环境污染等缺点，极大地限制了氮化硅纳米线的应用和产业化生产。在硅粉氮化法生产氮化硅纳米线技术中，常采用金属或金属盐作为催化剂，以V-L-S机制生长出氮化硅纳米线，但金属的引入，会造成产物纯度降低，影响氮化硅材料高温力学性能和抗蠕变性能。Wang等采用硅粉为原料，通过900℃空气下预氧化的方式，以氧化辅助生长机制在1390℃氮气气氛下合成出毫米级超长α氮化硅纳米线(J.Wang,X.L.Li,Z.G.Jin,etal,Non-catalytic vapor synthesis of millimeter-scale α-Si₃N₄ nanowires fromoxidzed silicon powders.[J].Materials Letters,2014,124:249-252)。

目前，尚无有关于在无任何添加剂条件下通过直接氮化硅粉并调控气体转换等来一步同步制备高α相氮化硅粉体及超长氮化硅纳米线的制备工艺的文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线的制备方法，该方法是在无任何稀释剂、金属及金属盐催化剂的条件下，以平均粒径小于3μm的硅粉在氨气氛围下进行氧化、氮化预处理，随后转换气体为氮气、氩气和氢气的混合气体进行氮化合成，同步制备高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线的方法。

本发明提供了一种高α相氮化硅粉体、超长氮化硅纳米线的制备方法，包括如下步骤：

(1)将平均粒径小于3μm的硅粉装入陶瓷匣钵内，并放置于气氛炉内；