基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法技术

一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：(1)准备二氧化硅超细粉体，氨水，表面活性剂；(2)将二氧化硅超细粉体、氨水、表面活性剂置于无水乙醇中，形成浆料后继续搅拌1～10小时；(3)过滤后再置于无水乙醇中搅拌，然后二次过滤分离去除液相；(4)在搅拌条件下，连同酚醛树脂一起加入到无水乙醇中，搅拌形成糊状体；烘干后研磨；(5)加入氮源混合研磨；(6)置于加热炉中，在加热炉内气压高于大气压下升温至800～1000℃，进行氮化合成反应；(7)置于电阻炉内，在550～650℃条件下除碳。本发明专利技术的方法通过表面改性增加相容性，利用氮源分解产生高活性氨气，原位发生碳热还原反应，实现低温合成氮化硅。

Preparation of Silicon Nitride Ceramic Powder by Low Temperature Synthesis Based on Surface Modification

A method for preparing silicon nitride ceramic powders based on surface modification and low temperature synthesis includes the following steps: (1) preparing superfine silica powders, ammonia water and surfactant; (2) placing superfine silica powders, ammonia water and surfactant in anhydrous ethanol to form slurry and continue stirring for 1-10 hours; (3) stirring in anhydrous ethanol after filtration, and then secondary filtration. Removing liquid phase; (4) adding phenolic resin to anhydrous ethanol under stirring conditions, stirring to form paste; grinding after drying; (5) adding nitrogen source to mix grinding; (6) putting it in a heating furnace, heating up to 800-1000 (?) under atmospheric pressure, to carry out nitridation synthesis reaction; (7) putting it in a resistance furnace, removing carbon at 550-650 (?) The method of the invention increases compatibility by surface modification, generates high active ammonia by decomposition of nitrogen source, and in situ carbothermal reduction reaction occurs to realize low temperature synthesis of silicon nitride.

【技术实现步骤摘要】
基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法
本专利技术属于无机非金属材料领域，特别涉及一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法。
技术介绍
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有优良的电学和力学性能，引起国内外研究者的广泛关注，随着现代科学技术的飞速发展，氮化硅陶瓷在许多高
必将具有广泛的应用前景；然而，目前氮化硅的制备成本较高，主要原因是合成温度高；如碳热还原法的合成温度一般在1300～1500℃左右，直接氮化法一般在1400～1600℃左右；若能以较低的温度制备出氮化硅粉体，必将会大大提高其商业化进程。合成氮化硅的最简易方法是以二氧化硅为原料，通过机械混合方式添加一部分碳源，在高温流动氮气下发生碳热还原反应而生成氮化硅的方法；二氧化硅粉体粒径越细小、活性越高，合成温度越低；硅源、碳源和氮源之间混合越均匀，合成氮化硅粉体所需要的合成温度也越低；此外，碳源和氮源的活性越高，合成温度也越低；但存在的问题是，二氧化硅超细粉体粒径越细小，越易发生团聚，不易与碳源或氮源之间达到均匀混合，同时硅源(二氧化硅是无机材料)与碳源(如蔗糖或酚醛树脂是有机材料)互不相容，很难机械混合均匀，为此有必要对二氧化硅超细粉体进行表面改性和分散；另一方面使用的传统氮源都是惰性氮气，也是该方法合成温度偏高的一个主要原因，还有一种氮源就是流动氨气，氨气是强腐蚀性气体，给生产、生活和环境保护带来极大威胁。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法，通过表面改性，选用高活性尿素或三聚氰胺替代流动惰性氮气和危险性氨气作为氮源，在低温条件下合成氮化硅粉体，降低生产成本的同时，减少污染，提高产品的纯度。本专利技术的方法包括以下步骤：1、准备硅源二氧化硅超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中二氧化硅超细粉体的粒径≤200纳米，氨水的质量浓度为1～28％；氨水占二氧化硅超细粉体总质量的1～30％；偶联剂占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％，聚乙二醇占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％；2、将二氧化硅超细粉体、氨水、偶联剂和聚乙二醇依次置于无水乙醇中，搅拌形成浆料后继续搅拌1～10小时，在氨水的催化作用下，表面活性剂附着在二氧化硅超细粉体表面，对二氧化硅超细粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；3、将搅拌后的物料过滤，再置于无水乙醇中搅拌至少5分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得二氧化硅湿粉体；4、在搅拌条件下，将酚醛树脂和二氧化硅湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60～200℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与二氧化硅超细粉体的摩尔比为0.5～10；5、向前驱体粉体中加入氮源尿素或三聚氰胺，混合研磨均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与二氧化硅超细粉体的摩尔比为5～60；6、将复合前驱体粉体置于加热炉中，通入惰性气体吹扫将空气驱除；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，升温至800～1000℃，保温2～5小时，进行氮化合成反应；反应后的物料随炉冷却至常温，获得氮化硅粗粉体；7、将氮化硅粗粉体置于电阻炉内，在550～650℃条件下保温2～8小时，使残留的碳去除，反应后的物料随炉冷却至常温，再研磨制成氮化硅陶瓷粉体。上述的氮化硅陶瓷粉体的粒径100～1500纳米。上述的惰性气体为氮气或氩气。上述的聚乙二醇的聚合度为2000～20000。上述的步骤6中，升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压。本专利技术的方法采用超细二氧化硅粉体为硅源，酚醛树脂为碳源，采用尿素或三聚氰胺为氮源替代传统工艺中的流动氮气或氨气，通过氨水催化，偶联剂与聚乙二醇接枝表面改性与分散，使二氧化硅超细粉体均匀分散，避免团聚；同时通过偶联剂和聚乙二醇的接枝表面改性增加二氧化硅超细粉体与酚醛树脂之间的相容性，使硅源和碳源能够达到原子或分子级别的均匀混合；此外，利用尿素或三聚氰胺加热分解产生的氨气作为活性较高的氮源，这种活性较高的氮源又原位与硅源和碳源发生碳热还原反应，形成氮化硅粉体，最终实现低温合成氮化硅粉体的目的；本专利技术的方法使用较多的酚醛树脂是为了使硅源充分反应而没有残留，添加较多的尿素或三聚氰胺也是为了使硅源充分反应而不残留；能够在低温条件下合成氮化硅陶瓷粉体，大幅度降低生产成本，因而具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1中的氮化硅陶瓷粉体X射线衍射图；图2为本专利技术实施例1中的氮化硅陶瓷粉体的SEM照片图。具体实施方式本专利技术实施例中采用的二氧化硅超细粉体、酚醛树脂、尿素和三聚氰胺为市购产品。本专利技术实施例中的偶联剂选用KH-550、KH-560或KH-570。本专利技术实施例中的酚醛树脂选用FQ-9。本专利技术实施例中采用的聚乙二醇为市购分析纯试剂。本专利技术实施例1中采用X射线衍射仪型号为PW3040/60。本专利技术实施例中采用场发射扫描电镜型号为S-4800。本专利技术实施例中，在65～200℃条件下烘干的时间为1～24小时。本专利技术实施例中烘干是将糊状体倒入托盘中平铺，以增加散热面积，再放到烘箱中烘干。本专利技术实施例中升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压，并小于0.4MPa；因氮源分解产生氨气会导致加热炉气压升高，当加热炉内的气压高过或等于0.4MPa时，通过开启加热炉上的放气阀门将加热炉内气压降低。本专利技术实施例中，开启放气阀门时，放气阀门通过排气管道将气体通入盛水的密闭容器中，使放出的氨气溶于水中回收。实施例1准备硅源二氧化硅超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中二氧化硅超细粉体的粒径60纳米，氨水的质量浓度为5％；氨水占二氧化硅超细粉体总质量的25％；偶联剂占二氧化硅超细粉体质量的0.05％，聚乙二醇占二氧化硅超细粉体质量的0.05％；聚乙二醇的聚合度为2000；将二氧化硅超细粉体、氨水、偶联剂和聚乙二醇依次置于无水乙醇中，搅拌形成浆料后继续搅拌2小时，在氨水的催化作用下，表面活性剂附着在二氧化硅超细粉体表面，对二氧化硅超细粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；将搅拌后的物料过滤，再置于无水乙醇中搅拌20分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得二氧化硅湿粉体；在搅拌条件下，将酚醛树脂和二氧化硅湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与二氧化硅超细粉体的摩尔比为2；向前驱体粉体中加入氮源尿素，混合研磨均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与二氧化硅超细粉体的摩尔比为50；将复合前驱体粉体置于加热炉中，通入氮气吹扫将空气驱除；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，升温至850℃，保温3小时，进行氮化合成反应；反应后的物料随炉冷却至常温，获得氮化硅粗粉体；升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压，并小于0.4MPa；将氮化硅粗粉体置于电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)准备硅源二氧化硅超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中二氧化硅超细粉体的粒径≤200纳米，氨水的质量浓度为1～28％；氨水占二氧化硅超细粉体总质量的1～30％；偶联剂占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％，聚乙二醇占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％；(2)将二氧化硅超细粉体、氨水、偶联剂和聚乙二醇依次置于无水乙醇中，搅拌形成浆料后继续搅拌1～10小时，在氨水的催化作用下，表面活性剂附着在二氧化硅超细粉体表面，对二氧化硅超细粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；(3)将搅拌后的物料过滤，再置于无水乙醇中搅拌至少5分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得二氧化硅湿粉体；(4)在搅拌条件下，将酚醛树脂和二氧化硅湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60～200℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与二氧化硅超细粉体的摩尔比为0.5～10；(5)向前驱体粉体中加入氮源尿素或三聚氰胺，混合研磨均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与二氧化硅超细粉体的摩尔比为5～60；(6)将复合前驱体粉体置于加热炉中，通入惰性气体吹扫将空气驱除；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，升温至800～1000℃，保温2～5小时，进行氮化合成反应；反应后的物料随炉冷却至常温，获得氮化硅粗粉体；(7)将氮化硅粗粉体置于电阻炉内，在550～650℃条件下保温2～8小时，使残留的碳去除，反应后的物料随炉冷却至常温，再研磨制成氮化硅陶瓷粉体。...

【技术特征摘要】
1.一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)准备硅源二氧化硅超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中二氧化硅超细粉体的粒径≤200纳米，氨水的质量浓度为1～28％；氨水占二氧化硅超细粉体总质量的1～30％；偶联剂占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％，聚乙二醇占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％；(2)将二氧化硅超细粉体、氨水、偶联剂和聚乙二醇依次置于无水乙醇中，搅拌形成浆料后继续搅拌1～10小时，在氨水的催化作用下，表面活性剂附着在二氧化硅超细粉体表面，对二氧化硅超细粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；(3)将搅拌后的物料过滤，再置于无水乙醇中搅拌至少5分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得二氧化硅湿粉体；(4)在搅拌条件下，将酚醛树脂和二氧化硅湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60～200℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，茹红强，茹敬雨，
申请(专利权)人：沈阳金瓷科技开发有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21