本发明专利技术属于无机非金属材料领域，涉及一种控温活化自蔓延燃烧合成α相氮化硅粉体的方法。以重量份计，４０～９４份硅粉、６～６０份氮化硅稀释剂和０．５～３０份催化剂混合后，进行研磨活化处理，然后装入反应器中，在３～９ＭＰａ的氮气气氛中，诱发反应剂体系发生自蔓延燃烧合成反应，得到α相氮化硅粉。本发明专利技术的方法具有无需原料预处理、工序简便，整个生产过程时间短，诱发反应简便、动力消耗小，成本低、产物α相含量高、粉末产品颗粒尺寸均匀、易于后处理的优点。
Method for synthesizing alpha phase silicon nitride powder by controlled temperature activation self propagating combustion
The invention belongs to the field of inorganic non-metallic materials, and relates to a method for controlling temperature and activation self propagating combustion synthesis of alpha phase silicon nitride powder. By weight, 40 ~ 94, 6 ~ 60 silicon silicon nitride diluents and 0.5 to 30 copies of the catalyst after mixing, grinding and activation, and then loaded into the reactor, 3 ~ 9MPa in nitrogen atmosphere, induced reaction agent system of combustion synthesis SHS, alpha phase silicon nitride powder. The method of the invention has no pretreatment of raw materials, simple process, the whole production process is simple, time is short, evoked responses of small power consumption, low cost, high product content, product phase powder with uniform particle size and easy postprocessing.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无机非金属材料领域，涉及一种。
技术介绍
氮化硅陶瓷由于具有独特的物理和机械性能，例如硬度高、强度高、耐磨损、优良的热稳定性(特别是热膨胀系数低)、良好的化学稳定性、低摩擦系数、低密度以及高热导性能等，因此氮化硅陶瓷材料和器件被广泛地应用于发动机制造业、化学工业以及半导体工业等诸多领域。但高的原料成本却制约了氮化硅陶瓷零部件在各个领域中的大量应用，因此，国际材料界一直致力于开发新的低价制备氮化硅粉体的方法。然而氮化硅粉体，从相组成上讲，存在很大的差别。有主相是高温稳定的β相-Si3N4粉体，也有主相是低温稳定的α相-Si3N4粉体。从烧结性能上讲，低温稳定的α相-Si3N4粉体的烧结性能要远远优于β相-Si3N4粉体，而且烧结过程中一般发生α→β相的转变，该相变通过溶解析出机制进行，伴随相变同时发生致密化。因此如何制备高α相-Si3N4粉体一直是的研究热点。已知的通过氮化反应直接合成氮化硅粉末的方法可分为以下几种，第一种是工业上广泛应用的炉体合成方法；第二种是SiO2碳热还原法，第三种是相对较新的等离子化学合成法；第四种是燃烧合成领域的高温自蔓延合成法(SHS)。炉体合成氮化硅的方法是在氮气氛围中，在电炉中加热硅粉末使之发生氮化反应而得。二氧化硅高温碳热还原法也属于这种制备方法中的一种。从技术上可知，这种方法是合成高含量α相氮化硅的最有效、且相对简单的一种方法，这种方法主要在于硅粉在流动的氮气氛围中的氮化过程。但是，炉体合成氮化硅的方法需要两次氮化，第一步是硅粉在低于自身熔点即100～250℃的温度范围内进行氮化，这一步需要10～20小时；第二步氮化是在1200～1400℃之间完成，需时4～5小时，整个生产周期较长。而且这种炉体合成氮化硅的方法，需要严格地控制反应温度、氮气分压和第二步氮化过程中的气体流量，这些条件都是为了保证生成α相所需要的热环境。此外，这种方法高温长时间处理，需要较大的能源消耗。等离子化学合成方法，是含硅(如SiH4、SiCl4)和氮(NH3、N2)的原料在高频发生器中进行等离子体化并发生反应来制备氮化硅粉体。用这种方法制备的氮化硅，多是非晶相，并含有较高的氧。另外，用等离子法制备的氮化硅粉体，与用其他方法制备的氮化硅粉体相比，具有较高的化学活性，在潮湿的空气中容易水解，因此，需要在制备与储存的过程中采取一定的防护措施。尽管等离子法制备的氮化硅粉体具有易烧结的优势，但是这种粉体的质量并不能满足制备高物理和力学性能的陶瓷材料的要求。还有，等离子化学合成与炉体合成一样，也需要较大的动力消耗。从技术上讲，高温自蔓延合成法是最有前途的一种方法。这种方法是利用反应的放热效应，其关键在于对混合物反应层的局部反应的诱发，以及燃烧合成中各组分间的延续交互作用。也就是说，自蔓延燃烧前期，主要是由于反应体系充分的放热效应，而引起的反应混合物层与层之间的自放热。硅与氮气反应的巨大热效应(180Kcal/mol)，使氮化硅能够以燃烧合成的方式制得，也就是说，能够进行高温自蔓延合成。目前已公开的燃烧合成法制备氮化硅粉体，也存在一些局限性。如Merzhanov等专利技术的“一种制备高α相氮化硅的方法”(专利US5032370)，需要的氮气压力过高(4～30MPa)，对设备要求苛刻，生产安全系数低，不利于大规模生产。同样，江国健等人专利技术的“自蔓延高温合成氮化硅铁粉的制备方法”(CN1275526)也存在反应压力过高，对设备要求苛刻的缺点，而且由于采用纯度较低的硅铁合金粉作为原料，产品中铁杂质含量高，基本上是商业价值较低的β相氮化硅，不能满足精细结构陶瓷的需要。而清华大学陈克新等人专利技术的“一种低压燃烧合成高α相氮化硅粉体的方法”(CN1362358A)，采用的是硅的悬浮氮化技术，主要分以下几步完成，1.对原料金属硅粉进行酸洗或超声预处理，以提高原始硅粉的活性；2.加入活性剂、稀释剂和添加剂；3.将混合好的原料粉末在滚动球磨机上球磨15～30小时；4.混合后的原料在50～70℃烘干，放入低压燃烧合成反应装置内，抽真空后，从粉料底部吹入压力为0.1～1MPa的氮气，同时诱发原料粉燃烧，实现低压下硅的悬浮氮化。这种合成技术虽然可以大幅度降低所使用的氮气压力，降低对设备耐高压性能的要求，但是从整个反应流程上看，工序繁多，耗时长，生产周期长，诱发反应方式复杂且容易引入杂质、能耗大，使生产成本提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服已有技术中工序繁多、生产周期长、诱发反应方式复杂、能耗大和成本高等缺点，提供一种在适当的压力下、操作简便、生产周期短的。本专利技术提供的控温活化自蔓延燃烧合成α相氮化硅的方法，包括以下步骤(1)配料以重量份计，将硅粉40～94份，氮化硅稀释剂6～60份，催化剂0.5～30份进行混合，得到一混合物；其中所述的催化剂为卤化铵盐；(2)活化处理将步骤(1)得到的混合物进行研磨活化处理；(3)燃烧反应将步骤(2)研磨后的混合物以1.0～2.4g/cm3的松装密度装入反应器中，抽真空后，充入氮气、氮气与氨气或氮气与氩气的气体，使压力控制在3～9MPa，然后诱发混合物进行燃烧合成反应；所述的充入氮气与氨气或氮气与氩气的混合气体时，其中氨气或氩气的分压为0.1～0.5MPa；(4)反应完成当反应器内的压力降低至2～7MPa时，燃烧合成反应完成，冷却至室温后，释放反应器内压力，得到松散的块状产物，经细磨后，得到α相氮化硅粉。本专利技术为了更好地实现燃烧合成高α相氮化硅，通过设计反应物体系成份和改变氮气压力，拓展了原料的可燃成分范围，并降低最高燃烧温度，使之调整到适合α相氮化硅形成的适宜温度区间(＜1600℃)；同时提高反应物的活性，以保证燃烧波足以在较低的燃烧温度下得以蔓延。我们将这种控制最高燃烧温度的同时，又提高反应物活性的技术称之为控温活化技术。由于硅粉与氮气反应的放热量太高，因此，在步骤(1)中，通过向原料硅粉中加入氮化硅粉体加以稀释的方法来降低燃烧反应温度；也可用气相反应剂稀释的方法(如向N2气中混入Ar等气体)。同时，为了在低的温度下使燃烧反应自维持，向原料硅粉中加入催化剂并进行活化处理，以起到提高反应物活性的目的。所用的催化剂在合成过程中起双重作用。第一，它可作为原料硅粉的稀释剂，也就是用于降低燃烧温度，为合成α相氮化硅提供适宜温度。第二，它在燃烧初期被气化，并与硅形成Si(NH2)2中间产物，中间产物将在燃烧过程中促进α相氮化硅生成。出于这一目的，单一卤化铵盐或两种卤化铵盐的混合物均可用做催化剂。在本专利技术中，所使用的Si粉，粒径范围为0.1～110μm；氮化硅稀释剂即氮化硅粉，粒径范围为0.05～78μm，并优选α相含量大于85wt％；所使用的催化剂为卤化铵盐，优选NH4Cl、NH4F或其混合物，其中混合物中NH4Cl与NH4F的重量比为0.1～10。在本专利技术步骤(1)的配料过程中，优选先将硅粉和Si3N4稀释剂按比例混合后进行干燥处理，例如放入烘箱中进行烘干处理，然后再加入催化剂。对于步骤(1)得到的混合物的活化处理，可采用机械活化处理，包括高能行星式球磨、高能卧式转子研磨、高能震动研磨或搅拌球磨等，球磨时间1～10小时。研磨也即球磨，本身既可磨细又可起活化作用，磨细到一定程度时，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种控温活化自蔓延燃烧合成α相氮化硅粉体的方法，其特征是，步骤如下：（１）配料：以重量份计，将硅粉：４０～９４份，氮化硅稀释剂：６～６０份，催化剂：０．５～３０份进行混合，得到一混合物；其中所述的催化剂为卤化铵盐； （２）活化处理：将步骤（１）得到的混合物进行研磨活化处理；（３）燃烧反应：将步骤（２）研磨后的混合物以１．０～２．４ｇ／ｃｍ↑［３］的松装密度装入反应器中，抽真空后，充入氮气、氮气与氨气或氮气与氩气的混合气体， 使压力控制在３～９ＭＰａ，然后诱发混合物进行燃烧合成反应；所述的充入氮气与氨气或氮气或氩气的混合气体时，其中氨气或氩气的分压为０．１～０．５ＭＰａ；（４）反应完成：当反应器内的压力降低至２～７ＭＰａ时，燃烧合成反应完 成，冷却至室温后，释放反应器内压力，所得到松散的块状产物，经细磨后，得到α相氮化硅粉。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：林志明，贾楠，杨筠，方侃，宋广智，封凌萍，李江涛，景满德，祁太元，王生渊，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，青海电研科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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