[发明专利]一种微米级球形氮化硅及其制备方法

说明书

本发明公开了一种微米级球形氮化硅的制备方法，涉及无机非金属粉体材料技术领域，本发明采用改进的stober法制备含有苯环的二氧化硅，通过调节水醇比、反应时间、反应温度来控制二氧化硅的粒径，进而控制氮化硅的粒径，做到粒径均一且可控；制得的球形氮化硅可以完整得保持二氧化硅的球形形貌，球形度好，纯度高，α‑Si₃N₄含量大于99％；制备过程所用到的stober法、碳热还原氮化法均是成熟的工业生产方法，工艺过程简单，可满足生产需要。

技术领域：

本发明涉及无机非金属粉体材料技术领域，具体涉及一种微米级球形氮化硅及其制备方法。

背景技术：

氮化硅陶瓷具有优良的耐高温、耐磨损、抗腐蚀性能，良好的力学性能和化学稳定性，在机械工业、化学工业、航空航天和原子能工业中都有广泛的应用。由于氮化硅结构相对复杂，早期阶段人们认为其热导率很低。1995年，Haggerty等人提出，复杂的晶体结构并非氮化硅低导热率的原因，而是晶格缺陷、杂质等原因导致的。

相较于目前广泛使用的氧化铝(38～42W/m·K)导热填料，氮化硅具有更高的热导率～155W/m·K，而且氮化硅还具有优良的电绝缘性、低介电常数、优异的力学性能。所以氮化硅颗粒被认为是下一代导热填料的候选材料之一。但是，作为导热填料，球形是最好的颗粒形态，而氮化硅颗粒的典型形态为六方棒状，因此考虑制备球形氮化硅应用于下一代导热填料。

目前，对于球形氮化硅粉体，可采用喷雾造粒法，高压碳热还原氮化法进行制备。喷雾造粒法需使用喷雾干燥机，对设备、场地等要求高；高压碳热还原法需要在高温高压的环境下进行反应，危险性高，工业化生产困难，且制备的颗粒球形度差。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种微米级球形氮化硅的制备方法，通过对经典制备二氧化硅球的stober法进行改进，在起始原料中加入苯基三甲氧基硅烷，使得制备的二氧化硅中含有苯环，在碳热还原氮化的升温过程中，苯环高温分解，生成游离态的碳，与二氧化硅在1450～1500℃下进行反应生成氮化硅，并且保持了二氧化硅的球形形态。该方法通过控制制备二氧化硅过程中的水醇比、反应温度和反应时间来控制生成的二氧化硅球的大小，进而获得不同粒径的微米级球形氮化硅。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：

一种微米级球形氮化硅，α相氮化硅含量大于99％，球形度高且粒径均一，一次氮化硅晶粒尺寸在30-50nm之间。

上述微米级球形氮化硅的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.采用改进的stober法制备出含有苯环的二氧化硅球：

将去离子水、醇、浓氨水按比例混合，加热，搅拌，得到溶液A；

将苯基三甲氧基硅烷、硅酸四乙酯按比例混合，搅拌，得到溶液B；

将溶液B加入到溶液A中，搅拌，静置，离心收集，干燥，得到含有苯环的二氧化硅球；

步骤2.碳热还原氮化反应：

将上述获得的含有苯环的二氧化硅球置于氧化铝坩埚内，放入管式炉中，通入高纯氮气，在1450～1500℃下保温反应；

步骤3.除碳反应：

将步骤2获得的产物置于氧化铝坩埚内，放入马弗炉中，在550～800℃下保温焙烧，除去未反应的碳，即得到微米级球形氮化硅。

所述步骤1中醇为甲醇或乙醇。

所述步骤1中去离子水、醇、浓氨水的体积比为(15～3):(3～15):1，浓氨水的体积为去离子水和醇体积之和的1/10～1/7。

所述步骤1中加热温度为25～50℃。