[发明专利]基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法

说明书

一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：(1)准备二氧化硅超细粉体，氨水，表面活性剂；(2)将二氧化硅超细粉体、氨水、表面活性剂置于无水乙醇中，形成浆料后继续搅拌1～10小时；(3)过滤后再置于无水乙醇中搅拌，然后二次过滤分离去除液相；(4)在搅拌条件下，连同酚醛树脂一起加入到无水乙醇中，搅拌形成糊状体；烘干后研磨；(5)加入氮源混合研磨；(6)置于加热炉中，在加热炉内气压高于大气压下升温至800～1000℃，进行氮化合成反应；(7)置于电阻炉内，在550～650℃条件下除碳。本发明的方法通过表面改性增加相容性，利用氮源分解产生高活性氨气，原位发生碳热还原反应，实现低温合成氮化硅。

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有优良的电学和力学性能，引起国内外研究者的广泛关注，随着现代科学技术的飞速发展，氮化硅陶瓷在许多高技术领域必将具有广泛的应用前景；然而，目前氮化硅的制备成本较高，主要原因是合成温度高；如碳热还原法的合成温度一般在1300～1500℃左右，直接氮化法一般在1400～1600℃左右；若能以较低的温度制备出氮化硅粉体，必将会大大提高其商业化进程。

合成氮化硅的最简易方法是以二氧化硅为原料，通过机械混合方式添加一部分碳源，在高温流动氮气下发生碳热还原反应而生成氮化硅的方法；二氧化硅粉体粒径越细小、活性越高，合成温度越低；硅源、碳源和氮源之间混合越均匀，合成氮化硅粉体所需要的合成温度也越低；此外，碳源和氮源的活性越高，合成温度也越低；但存在的问题是，二氧化硅超细粉体粒径越细小，越易发生团聚，不易与碳源或氮源之间达到均匀混合，同时硅源(二氧化硅是无机材料)与碳源(如蔗糖或酚醛树脂是有机材料)互不相容，很难机械混合均匀，为此有必要对二氧化硅超细粉体进行表面改性和分散；另一方面使用的传统氮源都是惰性氮气，也是该方法合成温度偏高的一个主要原因，还有一种氮源就是流动氨气，氨气是强腐蚀性气体，给生产、生活和环境保护带来极大威胁。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面改性低温合成制备氮化硅陶瓷粉体的方法，通过表面改性，选用高活性尿素或三聚氰胺替代流动惰性氮气和危险性氨气作为氮源，在低温条件下合成氮化硅粉体，降低生产成本的同时，减少污染，提高产品的纯度。

本发明的方法包括以下步骤：

1、准备硅源二氧化硅超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中二氧化硅超细粉体的粒径≤200纳米，氨水的质量浓度为1～28％；氨水占二氧化硅超细粉体总质量的1～30％；偶联剂占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％，聚乙二醇占二氧化硅超细粉体质量的0.01～10％；

2、将二氧化硅超细粉体、氨水、偶联剂和聚乙二醇依次置于无水乙醇中，搅拌形成浆料后继续搅拌1～10小时，在氨水的催化作用下，表面活性剂附着在二氧化硅超细粉体表面，对二氧化硅超细粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；

3、将搅拌后的物料过滤，再置于无水乙醇中搅拌至少5分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得二氧化硅湿粉体；

4、在搅拌条件下，将酚醛树脂和二氧化硅湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60～200℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与二氧化硅超细粉体的摩尔比为0.5～10；

5、向前驱体粉体中加入氮源尿素或三聚氰胺，混合研磨均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与二氧化硅超细粉体的摩尔比为5～60；