一种高纯氮化硅粉末的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高纯氮化硅粉末的制备方法，包括如下步骤：将水溶性淀粉分散于水中，并加热至80℃，糊化45min得糊化物，然后将糊化物冷却至50℃，向糊化物中加入二氧化硅粉末和烧结助剂，搅拌至混合均匀，再经过滤、干燥、过筛即得前驱体，所述烧结助剂为纳米氮化硅；将所得前驱体放入烧结炉中，排除炉内空气，并通入氨气/氢气混合气作为反应气氛，烧结温度为1350~1450℃，烧结时间为5h，得到烧结产物；将所得烧结产物置于脱碳炉中，于700℃空气氛围下保温2h，即得到高纯氮化硅粉末。本发明专利技术方法在低温常压下即可制备得到高纯氮化硅粉末，所得氮化硅粉末纯度高，氮含量≥39.29%，氧含量≤0.71%，粒径尺寸均匀，K值为0.5~0.98。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯氮化硅粉末的制备方法
本专利技术涉及一种氮化硅粉末的制备方法，具体涉及一种高纯氮化硅粉末的制备方法。
技术介绍
氮化硅材料是一种新的具有应用潜力的高热导填料，其硬度高、耐磨损、弹性模量大、强度高、耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性能好、密度低、比重小、抗氧化、抗化学腐蚀，其性能可以与合金相媲美，在化工、纺织、航空航天、冶金、机械、石油、交通等领域具有广阔的应用前景。目前，氮化硅粉末的制备方法主要有以下几种：1、硅粉直接氮化法，采用纯净的硅粉在氮气氛围中经高温合成氮化硅粉末，该方法虽然工艺简单，但是存在反应不完全、产物纯度低、烧结粒度大、形貌不规则等缺点；2、气相反应法，其是采用硅的卤化物或氢卤化物或硅烷与氨气发生化学气相反应制备氮化硅，该方法可以制备纯度较高的氮化硅，但是其成本太高，难以实现大规模生产；3、碳热还原法，其是将二氧化硅与碳粉充分混合，在氮气氛围下经高温合成氮化硅粉，该方法成本低、设备简单、适合大规模生产，但是该方法需要加入过量的碳粉以确保二氧化硅的完全反应，而过量的碳粉直接影响到所得氮化硅粉末的纯度。然而，氮化硅粉末的纯度、粒径尺寸和粒度分布是影响氮化硅陶瓷材料性能的关键因素，由此可见，如何在低成本的前提下生产出纯度高、形貌规则且粒度均匀的氮化硅粉末是氮化硅材料发展的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种高纯氮化硅粉末的制备方法，以解决现有制备方法成本高、所得产品纯度低、粒度均匀度差的问题。本专利技术的目的是这样实现的：一种高纯氮化硅粉末的制备方法，包括以下步骤：制备前驱体：将水溶性淀粉分散于水中，并加热至80℃，糊化45min得糊化物，然后将糊化物冷却至50℃，向糊化物中加入二氧化硅粉末和烧结助剂，搅拌至混合均匀，再经过滤、干燥、过筛即得前驱体，所述烧结助剂为纳米氮化硅；烧结：将所得前驱体放入烧结炉中，排除炉内空气，并通入氨气/氢气混合气作为反应气氛，烧结温度为1350～1450℃，烧结时间为5h，得到烧结产物；脱碳：将所得烧结产物置于脱碳炉中，于700℃空气氛围下保温2h，即得到高纯氮化硅粉末。所述二氧化硅粉末的粒径为0.8～1.2μm，所述水溶性淀粉的碳含量为44％，所述水溶性淀粉与二氧化硅粉末的质量比为0.8～1.2∶1。所述烧结助剂的粒径为0.8～2.0nm，所述烧结助剂的用量占水溶性淀粉、二氧化硅粉末和烧结助剂三者总质量的1～3wt％。所述氨气/氢气混合气中氢气的体积百分数为20～40％。所得高纯氮化硅粉末的中心粒径为1.0～3.0μm，K值为0.5～0.98，氮含量≥39.29％，氧含量≤0.71％。本专利技术的方法以二氧化硅为原料、水溶性淀粉为碳源、纳米氮化硅为烧结助剂，在较低的温度下将三者充分混合，再在常压下与氨气/氢气混合气反应制备得到高纯氮化硅粉末，该方法可降低氮化反应活化能，促进氮化过程，缩短达到反应平衡所需要的时间，提高产物的含氮量，细化产物的粒度，改善产物的粒度分布。本专利技术方法是对现有碳热还原法的创新性改进，其保留了现有碳热还原法低成本的优点，同时提高了所得产品的纯度和粒径均匀度，解决了多年来制约氮化硅陶瓷材料发展的根本性技术难题。本专利技术方法制备得到的氮化硅粉末纯度高达99％以上，氮含量≥39.29％，氧含量≤0.71％，中心粒径为1.0～3.0μm，形貌特征近似球形，粒径尺寸均匀，K值为0.5～0.98。采用本专利技术方法制得的氮化硅粉末制备氮化硅陶瓷材料，可提高氮化硅陶瓷的致密性，避免陶瓷内部微孔和微裂纹的问题发生，大大提高氮化硅陶瓷的性能。附图说明图1是实施例14制备的氮化硅粉末的SEM图(100μm)。图2是实施例14制备的氮化硅粉末的SEM图(10μm)。图3是参比例1制备的氮化硅粉末的SEM图(100μm)。图4是参比例1制备的氮化硅粉末的SEM图(10μm)。具体实施方式本专利技术提供了一种高纯氮化硅粉末的制备方法，包括以下步骤：称取原料：按照水溶性淀粉∶二氧化硅粉末＝0.8～1.2∶1的重量比分别称取水溶性淀粉和二氧化硅粉末，然后称取纳米氮化硅烧结助剂，烧结助剂的用量为水溶性淀粉、二氧化硅粉和烧结助剂三者质量之和的1～3wt％；其中，二氧化硅粉末的粒径为0.8～1.2μm，纯度为99.99％；水溶性淀粉的碳含量为44wt％，纯度为99％；烧结助剂的粒径为0.8～2.0nm，纯度为99％。混料：将水溶性淀粉分散在水中，并加热至80℃，保温45min，使水溶性淀粉糊化均匀，得糊化物；将糊化物冷却至50℃，然后将二氧化硅粉末和烧结助剂加到糊化物中，搅拌24h，使三者混合均匀，再经过滤、干燥、过筛，得前驱体。合成：将所得前驱体装入烧结反应炉中，对反应炉抽真空，除去前驱体及反应炉中的空气，然后通入氨气/氢气混合气作为反应气氛进行氮化反应，反应温度为1350～1450℃，反应时间为5h，混合气的通气速率为1～2L/min，混合气中氢气的体积百分数为20～40％，反应结束后，得灰色氮化硅粉末。脱碳：将所得氮化硅粉末置于脱碳炉中，于700℃空气氛围下保温2h，以除去多余的碳，即得到高纯氮化硅粉末。下面结合具体实施例进一步阐述本专利技术，在以下各实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法，所用试剂为市售分析纯或化学纯。实施例1将29.85g水溶性淀粉分散在100mL水中，加热至80℃，保温45min，使其糊化成均匀的糊化物，将糊化物冷却至50℃，然后向其中加入18.65g粒径为1.0μm的二氧化硅粉末和1.5g粒径为1nm的氮化硅粉末，搅拌24h使三者充分混匀，再经过滤、干燥、过筛处理后得到混合均匀的前驱体粉末。将该前驱体粉末装入反应炉中，抽真空处理后通入氨气/氢气混合气，混合气中氢气的体积百分数为40％，混合气体流速为2.0L/min，反应温度为1350℃，反应时间5h。将所得烧结产物置于脱碳炉中，通入空气且流速为10L/min，保温2h，即得到灰色高纯氮化硅粉末。合成的氮化硅粉末中氮含量为39.60％(氮占所得氮化硅粉末的质量百分数)，氧含量为0.40％(氧占所得氮化硅粉末的质量百分数)。实施例2～8、对比例1参照实施例1的制备方法，改变水溶性淀粉与二氧化硅粉的重量比(表中简称为重量比值)、烧结助剂的粒径和用量，制备氮化硅粉末，对比例1是以氟化钙为烧结助剂制备氮化硅粉末。对所得氮化硅粉末进行元素测试和粒径检测，结果见表1。表1：实施例9～13、对比例2～3、对比例4参照实施例1的制备方法，改变氨气/氢气混合气中氢气的体积百分数以及混合气体的流速，制备氮化硅粉末，特别的，对比例4所用的反应气氛为H2/N2混合气，且氢气的体积分数为40％，对所得氮化硅粉末进行元素测试和粒径检测，结果见表2。表2：实施例14～18参照实施例1的制备方法，改变二氧化硅粉末的粒径和烧结温度，制备氮化硅粉末，对所得氮化硅粉末进行元素测试和粒径检测，结果见表3，对实施例14所制得的氮化硅粉末进行电镜扫描，结果如图1、2所示。表3：参比例1根据专利CN201510581883.4中公开的方法进行重复性实验，具体步骤如下：以粒径为0.8μm的氧化硅粉以及13nm的炭黑为原料，粒径为3μm的氟化钙为烧结助剂。首先将10g氧化硅与2g氟化钙加入40g去离子水中，配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高纯氮化硅粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备前驱体：将水溶性淀粉分散于水中，并加热至80℃，糊化45min得糊化物，然后将糊化物冷却至50℃，向糊化物中加入二氧化硅粉末和烧结助剂，搅拌至混合均匀，再经过滤、干燥、过筛即得前驱体，所述烧结助剂为纳米氮化硅；烧结：将所得前驱体放入烧结炉中，排除炉内空气，并通入氨气/氢气混合气作为反应气氛，烧结温度为1350~1450℃，烧结时间为5h，得到烧结产物，所述氨气/氢气混合气中氢气的体积百分数为20~40%；脱碳：将所得烧结产物置于脱碳炉中，于700℃空气氛围下保温2h，即得到高纯氮化硅粉末。

【技术特征摘要】
1.一种高纯氮化硅粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备前驱体：将水溶性淀粉分散于水中，并加热至80℃，糊化45min得糊化物，然后将糊化物冷却至50℃，向糊化物中加入二氧化硅粉末和烧结助剂，搅拌至混合均匀，再经过滤、干燥、过筛即得前驱体，所述烧结助剂为纳米氮化硅；烧结：将所得前驱体放入烧结炉中，排除炉内空气，并通入氨气/氢气混合气作为反应气氛，烧结温度为1350~1450℃，烧结时间为5h，得到烧结产物，所述氨气/氢气混合气中氢气的体积百分数为20~40%；脱碳：将所得烧结产物置于脱碳炉中，于700℃空气氛围下保温2h，即得到高纯氮化硅粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志平，张银霞，赵金鑫，
申请(专利权)人：河北利福光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13