[发明专利]一种无添加剂燃烧合成制备亚微米级高α相氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高α相氮化硅陶瓷粉体制备技术，特别涉及一种无添加剂、低压下燃烧合成制备亚微米级高α相氮化硅粉体的工艺技术，属于无机非金属粉体材料领域。

背景技术

作为一种重要的高温结构陶瓷材料，氮化硅陶瓷具有低密度、低膨胀系数、高导热系数、高硬度、良好的热稳定性和化学稳定性、耐腐蚀、耐磨损等多种优异性能，广泛应用于陶瓷发动机、切削刀具、耐磨器件等领域。高α相氮化硅粉体作为其主要原料，重要地位可见一斑。此外，氮化硅粉体也在太阳能领域有着重要应用。氮化硅不含任何金属元素，对于熔融硅具有优异的不反应性，加之高α相氮化硅粉体多具有等轴颗粒形貌，因此，高α相、亚微米级氮化硅粉体也成为太阳能领域多晶硅熔融铸锭过程中涂层材料的首选。

鉴于氮化硅粉体的上述两大重要应用，其市场需求量也在不断上升。目前，成熟的商业化制备高α相氮化硅粉体的工艺有硅粉直接氮化法、碳热还原法、热分解法、溶胶凝胶法等。硅粉直接氮化法需对高纯原料硅粉进行长时间高温加热处理，导致能耗很高，且反应不完全，易产生残余硅。碳热还原法则存在生产周期长、能耗大、产物含碳量高等缺点。热分解法、溶胶凝胶法等也都存在着工艺复杂繁琐、能耗大等特点。由此导致的居高不下的制备成本正是制约氮化硅应用的重大障碍，因此寻找一种低成本、大规模生产高α相、亚微米级氮化硅粉体的工艺是国内氮化硅产业发展的关键途径。

燃烧合成法，又称为自蔓延法，是一种利用燃烧反应的放热来制备材料的技术。其一般过程是利用外部提供的能量局部点燃反应物，形成燃烧波，之后反应自身放出的大量热量可以支持反应持续进行，使燃烧波蔓延至整个反应体系，最终合成材料。燃烧合成法由于其节约能源、效率高、设备工艺相对简单、产物纯度高等诸多优势而受到广泛关注与重视。在目前已经公开的燃烧合成工艺制备高α相氮化硅粉体的专利技术中，还存在的一些局限性。如俄罗斯Merzhanov等发明的“一种制备高α相氮化硅粉体的方法”(美国专利US5032370)需要较高的氮气压力(最高30MPa)，易发生设备安全事故，不利于工业生产。且制备过程中使用了大量含氯、氟的铵盐为添加剂，生产中会产生大量对人体危害性极大的HCl、HF等气体，严重危害生产者健康。李金富等发明的“自蔓燃无污染快速制备高α相氮化硅粉体的方法”中，通过使用碳酸氢铵、尿素等添加剂来取代含氯化铵、氟化铵等高危害性物质，取得了一定的防治毒害的效果。但碳酸氢铵、尿素等在反应过程中也会产生部分NH₃、CO、HCN等有毒物质，且最终产物颗粒并非亚微米级，需较为复杂的后续研磨处理工艺才可得到超细氮化硅粉体。

发明内容：

本发明的目的是提供一种不使用任何添加剂、低压燃烧合成制备高α相氮化硅粉体的工艺方法，克服了已有技术的缺点，使得整个制备工艺无污染、无毒害，且制备压力相对较低，最终产物粉体α相含量较高，达到85wt％-95wt％，平均粒径小于1μm，具有良好的烧结活性，且符合太阳能多晶硅铸锭涂层领域行业标准。

本发明提出的一种无添加剂燃烧合成亚微米级高α相氮化硅粉体的方法，包含以下步骤：

(1)对原始粒度100-500目的硅粉原料进行球磨和酸洗的协同处理，以降低其粒度、提高燃烧活性，具体工艺为：以酒精或丙酮为介质，球磨处理12-36小时，将球磨后的浆料真空抽滤后，使用氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸中的一种或两种以上的混合溶液对硅粉进行酸洗，抽滤后在50-70℃中真空干燥，得到高燃烧活性的超细硅粉；

(2)以上述处理后的硅粉为原料，加入适量稀释剂，不使用添加剂，各组分的重量百分比如下：

硅粉原料：20％-55％；

氮化硅稀释剂：45％-80％；

(3)将上述各原料球磨10-20小时使其充分混合均匀，使用酒精或者丙酮为介质，混合后的原料在50-70℃中真空干燥后，过50-200目筛，随后松装布料于石墨舟中；

(4)将布料完成的石墨舟放置在燃烧合成反应装置内，抽真空后，通入高纯氮气，装置内压力保持在2-4.5MPa，以通电钨丝圈点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应。反应结束后，装置内压力开始下降，此时释放装置内的气体，同时通循环水进行冷却。最终得到松软、易破碎的的块状产物，研磨即可得到α相含量85wt％-95wt％的超细氮化硅粉体。