一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，制备步骤如下：（1）对原料硅粉进行酸洗处理，并在真空或保护气氛中烘干。（2）以上述处理后的Si粉为原料，加入一定比例的稀释剂、活性剂。（3）采用高能球磨机完成上述原料的混匀及活化。球磨后在真空或保护气氛下烘干。（4）将上述处理后的粉体放入氮化炉中在气氛中进行氮化。（5）采用高能球磨机优化氮化硅粉体的粒度及粒度分布。球磨后在真空或保护气氛下烘干。本发明专利技术公布的高纯氮化硅粉体杂质含量低，粒度分布窄，颗粒形状规则，具有优异的烧结性能，可用于结构陶瓷领域。

A preparation method of high purity silicon nitride powder for structural ceramics

The invention provides a preparation method of high-purity silicon nitride powder for structural ceramics, and the preparation steps are as follows: (1) pickling the raw silicon powder and drying it in vacuum or protective atmosphere. (2) a certain proportion of diluent and active agent was added to the Si powder after the treatment. (3) use high energy ball mill to complete the mixing and activation of the above raw materials. After ball milling, the ball is dried in a vacuum or protective atmosphere. (4) the above treated powder is placed in the nitriding furnace to nitrate in the atmosphere. (5) the particle size and particle size distribution of silicon nitride powder is optimized by high energy ball mill. After ball milling, the ball is dried in a vacuum or protective atmosphere. The high purity silicon nitride powder produced by the invention has the advantages of low impurity content, narrow particle size distribution, regular grain shape, excellent sintering property, and can be applied to the field of structural ceramics.

【技术实现步骤摘要】
一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法
本专利技术属于粉体制备领域，具体为一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法。
技术介绍
氮化硅陶瓷材料因具有轻质、硬度高、抗折强度大、抗热震性能优异、化学稳定性好等特点，在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中展现出极大的使用空间。目前，氮化硅陶瓷在耐热耐侵蚀结构件、轴承、导热基板、刀具等方向具有十分广阔的应用前景。高性能氮化硅陶瓷材料的制备对氮化硅粉体的品质提出了更高的要求。为获得综合力学性能优异的结构陶瓷，细、密、匀、纯是发展的重要方向，这就要求氮化硅粉体有较高的纯度以保证制品的纯度并对第二相实现有效控制，要求粉体中含有较高的α相、较小的粒径及规则的形貌以获得好的烧结活性，要求粉体具有较窄的粒度分布以避免晶粒异常长大造成强度降低。随着氮化硅陶瓷使用空间的扩展、工作环境的日益苛刻，对氮化硅陶瓷的断裂韧性也提出了更高的要求。当前粉体烧结出的氮化硅陶瓷断裂韧性较差，限制了其应用范围。研究人员在改善断裂韧性方向进行了探索，主要途径有弥散增韧、纤维增韧、相变增韧、自增韧。
技术实现思路
本专利技术主要针对结构陶瓷综合力学性能差的问题，提供了一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法。粉体中的β相颗粒在烧结过程中可作为晶种，有利于β相柱状晶的发育，通过控制其含量可控制柱状晶的含量。该制备方法制得的样品纯度可达99.9%、含有2-40%的β相、D50为0.5-1.0μm，具有粒度分布窄、颗粒形状规则、分散性好等特征，烧结后具有优异的综合力学性能。本专利技术提供一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，包括如下步骤：步骤一、原料Si粉的酸洗处理对粒度为200-500目的原料硅粉进行酸洗处理，以除去金属杂质及表面的SiO2膜，提高Si粉活性。具体实施方法为：将Si粉反复用稀释的HF或HCl与去离子水清洗，并在真空或保护气氛中烘干。步骤二、配料以上述处理后的Si粉为原料，按如下重量百分比加入稀释剂、活性剂：Si粉与活性剂为60-90%，其中，Si粉：活性剂为1:0.1-10；（Si粉+活性剂）：稀释剂为10-40%。其中，活性剂为多孔硅粉、无定形硅粉或Si(NH2)2中的一种或多种；稀释剂为高α相的氮化硅粉。步骤三、球磨采用高能球磨机完成上述原料的混匀及活化。具体为：磨介球为直径2-5mm的氮化硅陶瓷或氧化锆陶瓷球，无水乙醇作为球磨介质，球料比5:1-10:1，球磨转速200-500r/min，球磨时间5-20h。球磨后在真空或保护气氛下烘干。步骤四、氮化将上述处理后的粉体放入氮化炉中进行氮化。具体为：抽两次真空后，通入高纯Ar气或Ar/H2混合气，升温至1350-1400℃，抽真空，通入N2、N2/H2或N2/H2/Ar，保温10-20h后，停止加热，在N2气氛中冷却至室温。步骤五、球磨采用高能球磨机优化氮化硅粉体的粒度及粒度分布。具体为：磨介球为直径2-5mm的氮化硅陶瓷或氧化锆陶瓷球，球磨介质为无水乙醇，分散剂为1%的聚丙烯酸铵，球料比5:1-10:1，球磨转速200-500r/min，球磨时间5-20h。球磨后在真空或保护气氛下烘干。附图说明图1为实施例1制备的粉末样品的XRD图谱。图2为实施例1制备的粉末样品的扫描电镜图片。图3为实施例1制备的粉末样品的粒度分布图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本专利技术进行详细的阐述。实施例1：将纯度为99.99%、粒度为200目的原料硅粉用稀释的HCl与去离子水清洗3遍后，置于真空干燥箱中，85℃下烘干10h。按上述处理后的Si粉：多孔硅粉：高α相的氮化硅粉（α相含量92%）重量百分比为45份、45份、10份的比例配料30g。添加300g直径2mm的氮化硅陶瓷球，50mL的无水乙醇，球磨转速设为300r/min，球磨20h。在真空干燥箱中，于85℃下烘干10h后，装入氮化硅坩埚中。将装有上述粉体的氮化硅坩埚放入氮化炉中，抽两次真空后，通入高纯Ar-H2混合气（Ar：H2为95:5），升温至900℃，保温0.5h后升温至1300℃，进行抽真空、通N2-H2混合气（N2：H2r为95:5）处理，保温2h后，升温至1350℃，调节N2：H2：Ar比例为90:5:5，保温12h后，停止加热，在N2气氛中冷却至室温。待样品取出后，采用高能球磨机优化其粒度及粒度分布。具体为：称量30g反应物，添加直径2mm的氮化硅陶瓷球300g，30mL无水乙醇，0.3g聚丙烯酸铵，设定球磨转速为500r/min，球磨时间20h。在真空干燥箱中，于85℃下烘干10h。之后在玛瑙研钵中稍加研磨得到氮化硅粉体。对实施例1得到的样品进行以下测试：通过测试金属杂质含量，得到氮化硅粉体纯度为99.9%；采用XRD（X-rayDiffraction，X射线衍射）测试样品的物相结构（图1）；采用SEM测试粉体形貌（图2）；采用激光粒度仪测试粒度及粒度分布（图3）。图1为样品的XRD图谱，由结果可知，晶相组成为α相94.9%、β相5.1%的氮化硅。由为样品的SEM图（图2）可知，样品中含有少量柱状颗粒、颗粒形状规则、无团聚现象。由图3可知，D50约为0.5μm。将实施例1得到的样品与2wt%Al2O3-5wt%Y2O3在高能球磨机中充分混合后，置于涂有BN的石墨模具中，在热压炉中N2气氛下烧结，热压温度为1700℃，压力30MPa，保温保压40min。对烧结后的样品进行密度测试、抗弯强度测试和断裂韧性测试。烧结后，密度可达3.25g/cm3，强度可达1001.5MPa、断裂韧性可达9.12MPa/m1/2，具有优异的综合力学性能。实施例2：将纯度为99.9%、粒度为300目的原料硅粉用稀释的HF与去离子水清洗3遍后，置于管式炉中，N2气氛下120℃下烘干10h。按上述处理后的Si粉：Si(NH2)2：高α相的氮化硅粉（α相含量92%）重量百分比为89份、1份、10份的比例配料60g。添加300g直径3mm的氧化锆陶瓷球，60mL的无水乙醇，球磨转速设为200r/min，球磨20h。在管式炉中，N2气氛下120℃下烘干10h后，装入氮化硅坩埚中。将装有上述粉体的氮化硅坩埚放入氮化炉中，抽两次真空后，通入高纯Ar气，升温至1400℃，进行抽真空、通N2-H2-Ar（N2：H2：Ar为95:5:0）处理，保温2h后，调节N2：H2：Ar比例，为90:5:5，保温18h后，停止加热，在N2气氛中冷却至室温。待样品取出后，采用高能球磨机优化其粒度及粒度分布。具体为：称量60g反应物，添加直径2mm的氧化锆陶瓷球300g，60mL无水乙醇，0.6g聚丙烯酸铵，设定球磨转速为500r/min，球磨时间15h。在真空干燥箱中，于85℃下烘干10h。之后在玛瑙研钵中稍加研磨得到氮化硅粉体。对实施例2得到的样品进行测试结果为：样品纯度为99.2%；晶相组成为α相62.7%、β相37.3%，样品中含有少量柱状颗粒、颗粒形状规则、无团聚现象，D50约为0.7μm。实施例3：将纯度为99.99%、粒度为500目的原料硅粉用稀释的HF与去离子水清洗3遍后，置于管式炉中，N2气氛下120℃下烘干10h。按上述处理后的Si粉：无定形硅粉：高α相的氮化硅粉重量百分比为6份、60份、34份的比例配料30g。添加300g直径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，包括原料的酸洗处理、配料、球磨混匀活化、氮化、球磨优化制品粒度分布5个主要步骤，制备出的样品为高纯、高α相、烧结性能优异的氮化硅粉体，其特征在于：步骤一、原料Si粉（纯度不低于99.9%）的酸洗处理；步骤二、配料：以上述处理后的Si粉为原料，加入一定比例的稀释剂、活性剂；步骤三、球磨：采用高能球磨机完成上述原料的混匀及活化，并在真空或保护气氛下烘干；步骤四、氮化：将上述处理后的粉体放入氮化炉中在气氛中进行氮化；步骤五、球磨：采用高能球磨机优化氮化硅粉体的粒度及粒度分布。

【技术特征摘要】
1.一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，包括原料的酸洗处理、配料、球磨混匀活化、氮化、球磨优化制品粒度分布5个主要步骤，制备出的样品为高纯、高α相、烧结性能优异的氮化硅粉体，其特征在于：步骤一、原料Si粉（纯度不低于99.9%）的酸洗处理；步骤二、配料：以上述处理后的Si粉为原料，加入一定比例的稀释剂、活性剂；步骤三、球磨：采用高能球磨机完成上述原料的混匀及活化，并在真空或保护气氛下烘干；步骤四、氮化：将上述处理后的粉体放入氮化炉中在气氛中进行氮化；步骤五、球磨：采用高能球磨机优化氮化硅粉体的粒度及粒度分布。2.根据权利要求1所述的一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，其特征是：所述的步骤一中，酸洗中酸的种类为稀释的HF或HCl。3.根据权利要求1所述的一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，其特征是：所述的步骤二中，活性剂为多孔硅粉、无定形硅粉或Si(NH2)2中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，其特征是：Si粉与活性剂占原料总质量的60-90%，Si粉：活性剂为1:0.1-10。5.根据权利要求1所述的一种结构陶瓷用高纯氮化硅粉体的制备方法，其特征是：所述的步骤二中，稀释剂为纯度高于99.9%的高α相或高β相的氮化硅粉，主晶相含量高于92%，（Si粉+...

【专利技术属性】
技术研发人员：付亚杰，刘久明，
申请(专利权)人：河北高富氮化硅材料有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13