[发明专利]一种氮化硅晶须的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超细氮化硅粉末的制备技术领域，特别涉及一种利用硅粉直接氮化生产氮化硅晶须的方法。

背景技术

晶须(whisker)是在人工控制条件下合成的一种高强度须状的单晶体。其晶体结构比较完整，内部缺陷少,其强度和模量均接近理想晶体。因此，晶须常作为增强组分加到金属基体、陶瓷基体和高分子基体中起增强、增韧作用。

以往关于碳化硅晶须的研究较多。碳化硅晶须的强度和模量确实优于氮化硅晶须，但Si₃N₄晶须比SiC具有更优良的耐高温、高强度、高模量、低膨胀和良好的化学稳定性，被认为是增强金属和陶瓷材料的理想增强组元。晶须的大小与晶须的性能有密切的关系,随尺寸增加，缺陷增多，晶须的性能下降。经研究发现，晶须的直径<10mm时，其强度急剧增加，随着晶须直径的增大其强度下降。由于受晶须的制备技术和生产成本的限制，有关晶须的研究起先一直停留在实验室阶段，到20世纪70年代,部分晶须商品化,但价格和纯度仍是制约因素。

根据不同的晶须制备方法，其生长机理还会有其他方式,如添加毒化剂限制扩散的液相生长；在外电场作用下，增加晶须的液相或气相生长；在有一定温度梯度的温度场作用下，通过气体蒸发与凝聚的气相生长机制等。总之，目前关于晶须的生长理论还不是非常完善与精确，受到了制备晶须的种类、方法、工艺等的限制。

氮化硅晶须制备方法有气相法、液相法、固相法,常用的方法有直接氮化法、化学气相沉积法、碳热还原法、卤化硅气相氨分解法、自蔓延法等。

曹阳等采用等离子体气相反应法制备的无定型氮化硅超细粉末为原料，通过在1450℃氮气气氛下，2h热处理，使无定型的氮化硅转化为α相氮化硅，并生长出α-Si₃N₄晶须，试验分析证明，所得到的α-Si₃N₄晶须的直径为50～200nm，无明显缺陷。

周延春等采用二氧化碳和石墨为原料分别在1200-1300℃和1250-1400℃流动氮气中制备了α-Si₃N₄晶须和β-Si₃N₄晶须。经分析发现α-Si₃N₄晶须表面光滑，有大量缺陷，且有很多分叉晶须；但β-Si₃N₄晶须的表面光滑，看不到缺陷，分叉的晶须也很少。

CaoYG等用NaN₃作催化剂，在0.5～1MPa的较低氮气压力下，采用燃烧合成工艺，制备了α-Si3N4晶须。试验证明，NaN₃不仅能够降低燃烧温度和氮气压力，提高氮化率和晶须含量，还能作为氮化硅晶须生长的催化剂。

YangWY等用PTSZ为先驱体制备出梳形和羽毛形的氮化硅晶须，其直径为200～300nm，长度为800～1200nm，主干晶须沿[010]方向生长，支干晶须沿[001]方向生长。该晶须的生长按照固-液-气-固机理生长。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种氮化硅晶须的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种氮化硅晶须的制备方法，由氮化硅粉和硅粉在充有氮气和氢气的氮气炉中高温氮化。

在上述方案的基础上，高温氮化之前，所述氮化硅粉和硅粉按照(10～50)∶(90～50)的重量比例混合而成。

在上述方案的基础上，所述氮化硅粉和硅粉在混合之前先干燥去除水分。

在上述方案的基础上，在氮化硅粉和硅粉中添加氯化铵，氯化铵的添加量为：6-15％。

在上述方案的基础上，氮化时，氮气炉内保持微正压。

在上述方案的基础上，微正压为0～0.1MPa。

在上述方案的基础上，干燥条件为：80～100℃，8小时。

在上述方案的基础上，所述氮气和氢气的体积比为：3:1。

在上述方案的基础上，所述氮气和氢气为经过脱水、脱氧处理的氮气。

在上述方案的基础上，氮化条件为：1400℃，30小时。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明的主要特点是加入了氯化铵、氢气，充分利用硅粉直接氮化过程，制得氮化硅晶须，产物中硅含量极低，转化率高。