[发明专利]一种硅基氮氧化物粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基氮氧化物粉体及其制备方法，属于无机非金属材料领域。本方法制备出的硅基氮氧化物粉体具有纯度高、无残碳、纳米粒径、团聚小、易分散的优点，可用作纳米氮氧化物陶瓷的粉体原料，也可以掺杂稀土获得特定发光性能的荧光粉。

背景技术

硅基氮氧化物（M-Si-N-O）指含有Si、N、O以及金属元素M的化合物及其相关固溶体的总称，其中M代表一种或多种金属元素。常见的硅基氮氧化物有M-α-SiAlON（M=Mg、Li、Y以及稀土），β-SiAlON，MSi₂N₂O₂（M=Ca、Sr、Ba），Ba₃Si₆O₉N₄，Ba₃Si₆O₁₂N₂等，而金属离子被不同程度的取代所形成一系列固溶体也属于硅基氮氧化物，如(M)_1-xSi_yO_zN_2+4y-2z:xEu，其中M代表Ca、Sr、Ba中的一种或两种等。

硅基氮氧化物如塞隆（SiAlON）等可用作结构陶瓷，替代热压烧结Si₃N₄陶瓷作为高温结构部件使用。硅基氮氧化物也可作为荧光粉，通过掺杂不同的金属离子获得特殊的光学性能，应用于发光等领域。

现有的硅基氮氧化物粉体的制备方法，主要包括高温固相反应法、高温自蔓延法、碳热还原法等。高温固相法需要使用氮化物原料，如金属氮化物和Si₃N₄粉末等，以提供N 源和Si源或金属M源。金属氮化物不仅昂贵，而且非常容易水解，合成工艺复杂、困难。Si₃N₄共价键强、扩散系数低、反应活性差，需要较高的合成温度（1500-2000℃），所得产物会产生硬团聚，而且颗粒粗大。高温自蔓延法需要在较高的温度和压力下反应，由于温度高（可达2000℃），金属以及Si的挥发使得反应不均匀，产物纯度不高（孟录, 张海军, 钟香崇. 高温氮化反应合成Ca-α-SiAlON[J]. 耐火材料, 40[4]: 260-264 (2006)）。碳热还原法反应过程复杂，通常需要加入过量的碳，产品中除目标产物外通常还有SiC或者残碳，而碳及SiC的存在会严重影响硅基氮氧化物粉体的发光性能以及外观（T. Suehiro, N. Hirosaki, R. J. Xie, M. Mitomo. Powder synthesis of Ca-α-SiAlON as a host material for phosphors [J]. Chem. Mater, 17: 308-314 (2005)）。

现有的硅基氮氧化物粉体制备技术难以获得纯度高、团聚小、无残碳的超细粉体。为了解决上述问题，本发明提供了一种硅基氮氧化物粉体及其制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种硅基氮氧化物粉体的制备方法。本方法所述的硅基氮氧化物（M-Si-N-O），指含有Si、N、O以及金属元素M的化合物及其相关固溶体的总称，其中M代表一种或多种金属元素。

本发明所述的硅基氮氧化物粉体制备方法包括下列步骤：a、根据所设计的硅基氮氧化物M_xSi_yN_zO化学式，按照比例在二氧化硅溶胶中混入金属M的原料，通过溶解、搅拌、超声、研磨、球磨等方式，使金属M原料均匀分散或溶解在二氧化硅溶胶中，获得前驱体溶胶；b、通过调节溶胶的pH值或者加热烘干等方式，将前驱体溶胶转变为凝胶，经干燥、粉碎、过筛，获得含有金属元素M和Si的前驱体凝胶M-Si-O粉体；c、前驱体凝胶粉体装入坩埚中，在含氮气氛下，加热分解，经还原氮化，获得硅基氮氧化物粉体。

a步骤中，二氧化硅溶胶可以通过水玻璃离子交换法、硅粉直接水解法以及有机硅酸酯经水解获得。

a步骤中，所述的有机硅酸酯包括但不限于硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯等有机硅酸酯中的一种或几种。

a步骤中，所述的金属M可以是一种或多种主族金属元素、过渡金属元素以及稀土金属元素的组合。

a步骤中，所述的金属M的原料包括但不限于M的氧化物、氢氧化物、溶胶以及卤化物、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐等相应的无机盐原料。