[发明专利]一种以分解时能产生氮气的发泡剂为添加剂快速燃烧合成氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃烧合成（也称自蔓延高温合成）氮化硅粉体的方法，特别涉及以分解时能产生氮气的发泡剂为添加剂快速燃烧合成氮化硅粉体的方法，属氮化硅粉体的制备技术领域。

背景技术

氮化硅陶瓷是先进结构陶瓷材料的典型代表，由于其具有优异的高温力学、热学性能及化学稳定性而可广泛地应用于机械、化工、航天航空等领域。氮化硅粉末作为生产氮化硅陶瓷制品的原材料，其居高不下的价格严重限制了氮化硅陶瓷的用量和规模。因此，低成本氮化硅粉末制备工艺的研发显得尤为必要。

目前已研究开发的氮化硅粉体的制备方法有很多，其中具有代表性的包括：硅粉直接氮化法、碳热还原法、硅亚胺分解法、等离子体法和燃烧合成法。国际上一些大型生产厂家如德国的Stark、日本的Denka等普遍采用直接氮化法来制备氮化硅粉体。其主要问题是生产周期长达72小时，需二次氮化且能耗大。同样，碳热还原法工艺也存在生产周期长、工艺过程复杂、生产成本高等缺点；另外产物中碳、氧等杂质含量也较高。日本UBE公司采用硅亚胺分解法生产出商品化程度较好的氮化硅粉体；该法存在的缺点有：工艺复杂、生产成本高、生产过程中容易产生腐蚀问题，并且产物中的氯含量较高。等离子体法生产氮化硅粉体也存在设备复杂、成本高、能耗大等缺点；且在产品价格和产量规模上也不具备形成大规模产业的可能性。相比较而言，由前苏联科学家发明的燃烧合成 （Combustion Synthesis, CS） 技术具有节能、 产品纯度高、合成周期短等优势，是典型的低成本制备技术，以之合成氮化硅粉末，有望大幅度降低成本，从而对氮化硅陶瓷大规模应用起到技术推动作用。

20世纪80年代后，国内外材料研究者对采用燃烧合成技术制备氮化硅粉体进行了大量的报道。俄罗斯科学家Merzhanov等率先申请了名称为“具有高α相含量氮化硅的制备方法”（美国专利号US5032370）的专利；但是该专利中使用的燃烧合成反应气体压力最高达30 MPa，导致生产安全性较差；另外，反应原料中添加的铵盐量最高达所加硅粉含量的60 wt%，使得净产率不高；再者，Si粉原料还需要经过氢氟酸等特殊方法进行预处理，使用了不同含量的无定形Si或硅亚胺，导致了原料成本增加。Holt J. Birch等发明的名称为“燃烧合成细晶α相氮化硅”（美国专利号US4944930），采用了约占反应物的50％的高毒易爆品NaN₃等为氮源, 不仅会引进杂质，同时也不适合安全生产。中国专利申请号为01126400.4公开了 “自蔓延高温合成制备β－氮化硅晶须的方法”，该方法采用氧化物作生长助剂。中国专利申请号为200410017913.0 公开了名称为“以氮化硅镁作为生长助剂燃烧合成制备β－氮化硅棒晶”，该方法采用氮化硅镁作助剂。前述两项中国专利申请都不可避免的在产物中引入氧或者金属杂质。总之：以传统的燃烧合成工艺制备氮化硅粉体存在如下缺陷：1）净产率低；2）合成成本高；3）工艺过程不稳定；4）产品中易引入杂质。这使得当前仍难以采用燃烧合成工艺来大规模制备氮化硅粉体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种以分解时能产生氮气的发泡剂为添加剂快速燃烧合成氮化硅粉体的方法；该方法净产率高、合成成本低、工艺过程稳定且不会引入杂质。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种以分解时能产生氮气的发泡剂为添加剂快速燃烧合成氮化硅粉体的方法，包括如下步骤：在快速燃烧合成氮化硅粉体过程中，以分解时能产生氮气的发泡剂作为反应过程中的添加剂。

进一步地，所述的分解时能产生氮气的发泡剂包括偶氮化合物、亚硝基化合物或磺酰肼类化合物中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，所述的分解时能产生氮气的发泡剂是偶氮二甲酰胺（简称：AC发泡剂）或偶氮二异丁腈（简称: AIBN发泡剂）或偶氮二异庚腈（简称：ABVN发泡剂）或N，N'—二亚硝基五次甲基四胺(简称： DPT发泡剂)或对甲苯磺酰肼(简称： TSH发泡剂)或苯磺酰肼（简称: BSH发泡剂）或4,4'-氧代双苯磺酰肼（简称：OBSH发泡剂）等中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，所述的分解时能产生氮气的发泡剂的纯度＞99％。

进一步地，一种以分解时能产生氮气的发泡剂为添加剂快速燃烧合成氮化硅粉体的方法，包括如下步骤：

1）反应剂的配制

按硅粉∶氮化硅粉末∶分解时能产生氮气的发泡剂的重量份比例为35~90：0~50：1~ 40称取原料并充分混合，配制反应剂；

2）反应剂的预处理