用于产生氮化硅纳米结构的系统、方法和组合物技术方案

本文中公开了用于产生氮化硅纳米结构的系统、方法和组合物。在至少一个实施方案中，将碳原料预加工，与硅原料合并以及在含氮化合物的存在下退火以产生氮化硅纳米结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及用于 产生氮化硅纳米结构的系统、方法和组合物。
技术介绍
氮化硅(Si3N4或SiN)由于其卓越的热、机械和化学特性已经成为大量研究的主题。氮化硅很好地适于许多应用和环境，包括腐蚀性和高温环境。随着纳米技术的出现，对产生氮化硅纳米结构作为增强材料和用于电子学和光电学的高级应用有了新的兴趣。氮化硅可以以下列结晶多晶型物存在:a -Si3N4、β -Si3N4和Y -Si3N4。α相和β相具有由共角SiN4四面体构成的六方对称性。α相和β相由堆叠的Si和N原子的不同层组成。α相由堆叠的AB⑶层组成，其中⑶层相对于AB层沿着晶胞的c轴移动。β相由交替的ABAB层组成。ABCD堆叠在α相的晶胞中引起两个间隙腔并且在β相中产生与c轴平行的通道。最近发现Y相的Si3N4由具有立方对称性的尖晶石型结构组成。两个硅原子以八面体配位到6个氮原子并且I个硅原子是四面体配位的。在氮常压和高温下容易产生α相和β相。这两个相之间的转化温度发生在 1400°C。在转化温度或高于转化温度下加热α相引起向β相的转化。然而，Y相仅能够在高温和压力下形成。因此，β相被认为是热力学相，而α相和Y相是亚稳的。在实验室中已经采用了许多技术来产生氮化硅纳米结构。当前用于产生氮化硅纳米结构的方法使用昂贵的初级产品、需要高反应温度以促进纳米结构的生长。利用当前方法，难以控制所得到的纳米结构产物的选择性。本文中公开了用于产生氮化硅纳米结构的改进的系统、方法和组合物。
技术实现思路
本文中公开了用于产生氮化硅纳米结构的系统、方法和组合物。在至少一个实施方案中，将碳原料预加工，与硅原料合并并且在含氮化合物的存在下退火，以产生氮化硅纳米结构。从以下本文中公开的示例性实施方案的详细描述，本公开的前述和其他目的、特征和优势将变得更易于显见。附图说明仅通过举例的方式参照附图描述本申请的实施方案，其中:图1图示了根据一个实施方案的用于预加工碳原料的示例性工艺的流程图；图2图示了根据一个实施方案的用于预加工硅原料的示例性工艺的流程图；图3图示了根据另一个实施方案的用于预加工硅原料的示例性工艺的流程图；图4图示了根据一个实施方案的用于产生氮化硅纳米结构的示例性工艺的流程图；图5图示了根据一个实施方案所产生的示例性氮化硅纳米结构；图6图示了根据另一个实施方案所产生的示例性氮化硅纳米结构；和图7图示了根据另一个实施方案所产生的示例性氮化硅纳米结构。具体实施例方式应理解，为简单和清楚说明起见，在认为适当之处，附图标记可在图中重复以表示对应的或类似的元件。另外，描述了许多特定细节以提供对于本文中描述的示例性实施方案的彻底理解。然而，本领域技术人员应理解，本文中描述的示例性实施方案可以在没有这些特定细节下实施。在其他例子中，没有详细描述方法、程序和组件以免使本文中描述的实施方案费解。 本文中公开了用于产生氮化硅纳米结构的系统、方法和组合物。示例性的原料可包括碳原料和硅原料。在一个或更多个初级加工步骤之前加工或预处理碳原料和硅原料。在初级加工步骤中，将合并的和预加工的碳原料和硅原料在含氮化合物的存在下加热、反应或退火以产生一种或更多种氮化硅纳米结构。可以在如以下参照图1至2描述的半间歇式或连续工艺中预处理碳原料和硅原料。碳原料和硅原料可以在同一半间歇式或连续工艺中单独地预加工或者一起预加工。碳和硅原料可以进行合并并且通过减小粒径分布或以下参照图1至2的其他预加工步骤来预处理。1.碳原料的预加工图1图示了根据一个实施方案的用于预加工碳原料的示例性工艺的流程图。碳原料是能够为工业规模生产氮化硅纳米结构提供可行的长期碳源的原料。碳原料可包括但不限于，褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤、石墨、糖、木材、有机材料、有机废物、一氧化碳气体、天然气、多孔碳、活性炭、浙青、焦炭(char)及其组合。褐煤尤其廉价并且易于预处理或预加工。本文中公开的碳原料可包含具有一定粒径分布的颗粒。可以减小碳原料的粒径分布以增强离子交换。在粒径减小的过程中，碳原料可以是固体形式、粉末形式或浆料形式。可以通过将碳原料与水或有机溶剂合并而将碳原料转换成浆料形式。有机溶剂可包括但不限于，乙醇、吡唆、甲苯、石脑油、己烷、煤油、石蜡族溶剂和其他与碳原料可相容的烃溶剂。可采用颚式破碎机、锤磨机、球磨机、环磨机(ring mill)或本领域已知的用于减小固体颗粒尺寸的其他方法来减小碳原料的粒径分布。在一个示例性实施方案中，可以使碳原料的粒径分布减小至小于或等于10mm、优选小于或等于5mm、或更优选小于或等于3mm的尺寸。在一个示例性实施方案中，采用环磨机通过环磨来减小碳原料的粒径分布。在另一个示例性实施方案中，通过颚式破碎、锤磨、球磨或环磨小于或等于5分钟来减小碳原料的粒径分布。在另一个示例性实施方案中，通过破碎、锤磨、球磨或环磨使碳原料的粒径分布减小至小于或等于Imm的尺寸。在一个优选的实施方案中，在使用碳化钨或钢环磨机进行小于或等于5分钟的连续环磨工艺中使碳原料的粒径分布减小至小于或等于Imm的粒径分布。碳原料的纯化程度可以影响产生的所得氮化硅纳米结构的产率、选择性、纯度、电子性质、磁学性质、光学性质和/或物理性质。例如，如下文通常作为结构(I)所示的β-Si3N4表现出提高的热稳定性、耐冲击性和断裂韧性。因此，在某些应用中，P-Si3N4比a -Si3N4更合意。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.06 NZ 587249;2010.11.23 NZ 589459;2010.08.1.一种方法，包括: 预加工碳原料； 将所述碳原料与硅原料合并以形成经合并的原料；以及 在含氮化合物的存在下使所述经合并的原料退火以产生氮化硅纳米结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中预加工所述碳原料包括: 减小所述碳原料的粒径分布； 纯化所述碳原料；以及 碳化所述碳原料。3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述碳原料与溶剂合并以形成浆料。4.根据权利要求3所 述的方法，其中所述溶剂选自:水、乙醇、批唆、甲苯、石脑油、己烷、煤油、石蜡族溶剂及其组合。5.根据权利要求2所述的方法，其中纯化所述碳原料包括选自除灰、去矿化、溶胀和离子交换中的至少一个纯化步骤。6.根据权利要求1所述的方法，其中减小所述碳原料的粒径分布包括颚式破碎、锤磨、球磨、环磨或其组合。7.根据权利要求6所述的方法，其中减小所述碳原料的粒径分布包括使所述碳原料的粒径分布减小至小于或等于3_。8.根据权利要求2所述的方法，其中减小所述碳原料的粒径分布包括将所述碳原料颚式破碎、锤磨、球磨或环磨小于或等于5分钟。9.根据权利要求2所述的方法，其中减小所述碳原料的粒径分布包括使所述碳原料的粒径分布减小至小于或等于1mm。10.根据权利要求5所述的方法，其中离子交换包括使铁离子结合至所述碳原料。11.根据权利要求5所述的方法，其中在约70°C的温度下进行离子交换。12.根据权利要求2所述的方法，其中碳化所述碳原料包括在含氮化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼·希思科特·克莱门斯，约翰·斯彭切尔，默里·麦柯迪，特罗伊·多尔蒂，
申请(专利权)人：CRL能量有限公司，维多利亚联结有限公司，
类型：
国别省市：