[发明专利]燃烧合成超细氮化镁粉末的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及氮化镁(Mg₃N₂)粉末的制备方法，特别是采用自蔓延燃烧合成方法制备超细氮化镁粉末。

背景技术

Mg₃N₂的应用范围很广，如用作高强度、高热导、耐腐蚀、耐磨损、耐高温的氮化物陶瓷(如立方氮化硼)的添加剂；用来制备特殊合金的发泡剂、特殊陶瓷材料及特殊玻璃；用于催化聚合物交联；用于回收核废料等。

目前Mg₃N₂粉末制备方法主要有：镁粉在氮等离子流中与氮反应法、氮气氛下镁线圈爆炸法、低压化学气相沉积、镁粉与氮气燃烧合成反应法。前三种方法都能获得超细Mg₃N₂粉末，缺点是产量低、设备复杂、能耗高、反应周期长、反应不易控制。

廖世健、徐筠等利用催化合成氢化镁或蒽镁在常压或真空条件下热分解得到高活性镁粉，将该镁粉加入含Ni、Ti、Co等过渡金属化合物中，在常压或加压N₂条件下，于保温炉中加热至300～600℃，反应8小时得到Mg₃N₂，收率为69％，反应18小时收率为81％。该方法制备纳米尺寸的Mg₃N₂粉末的关键是采用高活性镁粉在保温电炉中持续加热。而加入的过渡金属化合物虽然一定程度上加快了反应速度，但同时也将杂质带入产物中，使产物的纯度下降；要得到较高的产率需要较长的加热时间，使反应周期变长，而且整个过程始终采用电炉加热保温，能源消耗较大。

自蔓延燃烧合成法又称自蔓延高温合成法，是一种目前已广泛应用的制备氮化物粉末的方法，它利用外部必要的能量诱发放热化学反应体系局部发生化学反应，形成燃烧反应前沿，反应在自身放出热量的支持下继续进行，表现为燃烧波蔓延至整个体系，在这个过程中，反应物转变为产物。燃烧合成法具有节省能源、设备简单、生产周期短、产率高等优点，因此技术上讲，燃烧合成法是最有前途的一种制备方法，具有很好的工业应用前景。

在不考虑散热条件下，通过计算得到镁粉燃烧合成反应所能达到的最高反应温度达到2900K，按照Merzhanov提出的经验判据，T_ad≥1800K的体系可以发生燃烧合成反应。文献报道，李江涛等(自蔓延高温合成氮化镁，硅酸盐学报，第23卷第3期，291～294)采用重量比5∶1和2∶1的Mg和Mg₃N₂作为原料，压块后在3MPa氮气压力下进行燃烧合成反应制得了球形Mg₃N₂粉末。但产物中含有较多杂质，而且反应所用氮气压力较高，反应速度快，不利于得到较均匀的产品。除以上报道外，目前未见关于采用纯镁粉进行燃烧合成Mg₃N₂粉末的文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的在于利用自蔓延燃烧合成方法，提供一种操作简便、节能、生产周期短的超细氮化镁粉末的制备方法。

本发明采用的原料为工业Mg粉，粒度范围为10～100μm；多孔反应容器材质为高强石墨。

本发明的自蔓延燃烧合成超细氮化镁粉末的方法主要包括以下步骤：

(1)燃烧反应

将原料Mg粉以1.0～3.0g/cm³的松装密度装入底部铺设碳毡的多孔反应容器中，然后将多孔反应容器放入高压反应釜中，抽真空后，充入氮气、氨气与氩气的混合气或氮气、氢气和氩气的混合气，总压力控制在0.5～5MPa，然后诱发原料Mg粉进行自蔓延燃烧合成反应，反应过程中所达到的最高燃烧温度为1000～1400℃；当充入氮气、氨气与氩气的混合气时，其中氩气和氨气的分压均为0.1～1.0MPa；当充入氮气、氢气和氩气的混合气时，其中氩气和氢气的分压均为0.1～1.0MPa。

(2)反应完成

待高压反应釜内压力低于0.5Mpa，数值保持稳定后，标志燃烧合成反应完成。待冷却至室温后，释放反应釜内压力，得到疏松的块状产物，经细磨得到Mg₃N₂粉末，采用真空封装机将粉末封装，防止粉末接触空气发生水解。

所述的诱发原料Mg粉进行自蔓延燃烧合成反应是采用钨螺旋丝、碳纸或导热陶瓷作为诱发反应的发热体，通入10～30A的电流，以局部加热方式诱发原料Mg粉进行自蔓延燃烧合成反应。