[发明专利]硅粉在中温微正压条件下氮化合成氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域

本发明属于非氧化物氮化硅(Si₃N₄)陶瓷粉体的制备技术领域，涉及硅粉氮化制备氮化硅粉体的方法，特别涉及在中温微正压条件下，以温度场诱发硅粉燃烧方式合成氮化硅粉体的方法。

背景技术

氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、抗蠕变、结构稳定等优良的综合性能，并且在高温下仍能保持其优良性能，因而在高温燃气轮机、宇航、核工业、高效率发动机零部件等高技术领域得到了重视和应用。但相对于金属基材料，氮化硅陶瓷的高成本制约了其规模化应用。因此，从制粉-成型-烧结-加工四个环节上来研究开发新的低成本制备技术是国际范围内的研究热点。

目前，合成Si₃N₄粉体的方法主要有硅粉高温氮化法、碳热还原法、硅亚胺分解法和高压燃烧合成法等。采用硅粉高温氮化法制备Si₃N₄粉体，产物粒度细、物相可控，但是温度要求高(大于1350℃)，生产周期长(高达72小时)，因此生产能耗大。以燃烧合成技术制备Si₃N₄粉体，能耗低、生产周期短，产物氮化率高，但是硅粉高压燃烧合成反应要求氮气压力高，因此对设备耐压要求高、投资大，同时产量有限。采用温度场诱发硅粉氮化燃烧制备Si₃N₄粉体，一方面结合了硅粉高温氮化法和高压燃烧合成法制备Si₃N₄粉体的优点；另一方面避开了两种方法的工艺缺点，既降低了硅粉氮化的温度，又降低了为维持燃烧合成所必需的氮气压力，从而降低了设备成本，缩短了生产周期并大幅度节省了能耗。因此，开发中温微正压条件下硅粉反应合成Si₃N₄粉体具有极大的工业应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对硅粉高温氮化法和硅粉高压燃烧合成法存在的缺陷，提供一种结合两者优点，并回避其缺点的中温微正压条件下，实现氮化合成Si₃N₄粉体的方法。

本发明的方法是以硅粉和含氮化合物为原料，按不同的组分配比配制成反应混合料，经短时间研磨混合后，将混合料装于料舟内，并放入密闭的可加热耐压的反应炉中，经抽真空后充入一定压力的含氮非氧化性气体。通电预热混合料，温度升至500～900℃，通过局部加热或预埋点火块自燃方式，引发燃烧合成反应，合成后的氮化硅产物随炉冷却，经初碎后得到所述的氮化硅粉体。

本发明的硅粉在中温微正压条件下氮化合成氮化硅粉体的方法包括以下步骤：

(1)按硅粉∶β-Si₃N₄粉体的质量比为50～95∶5～50称取原料硅粉与β-Si₃N₄粉体，将称取的原料置于高能机械活化设备中进行研磨活化处理(一般研磨活化处理的时间为30～90分钟)，使原料混合均匀得到混合料；其中所述的β-Si₃N₄粉体为晶种；

(2)将步骤(1)经机械活化处理后得到的混合料松装于料舟中，然后将料舟放入密闭的可加热耐压的反应炉内，对反应炉抽真空(一般抽真空10分钟左右)，充入含氮非氧化性气体，使反应炉内的压力达到10～500kPa；

(3)给加热装置通电，用加热装置加热步骤(2)的反应炉至温度为500～900℃，保温(一般保温10～30分钟)；诱发所述混合料发生自维持的燃烧合成氮化反应，反应30～60分钟后，关闭加热装置，使反应所得氮化硅产物随炉降至室温；取出料舟，将反应所得氮化硅产物置于高能机械活化设备中进行研磨处理(一般研磨处理的时间为10～30分钟)，得到所述的氮化硅粉体(Si₃N₄粉体)产品。

步骤(1)中所述的高能机械活化设备为振动研磨机或高速球磨机。

所述的含氮非氧化性气体选自氮气与氨气、氩气或氢气的混合气体(其中氮气在混合气体中的含量不小于混合气体总体积的30％)、氮气、氨气中的一种。

所述的诱发是采用给预埋于混合料中的线圈通电发热的方式或采用预埋于混合料中的燃点低于500℃的点火块自燃的方式。