[发明专利]纳米非晶原位合成氮化硅晶须

说明书

本发明涉及Si₃N₄晶须的制备技术，特别是采用纳米非晶Si/N/C粉原位合成制备高质量Si₃N₄晶须的方法。

Si₃N₄晶须具有重量轻，高熔点，耐腐蚀，抗热震以及良好的韧性和高温强度，是具有多种物理、化学、力学性能的增韧、增强组元，可用于增韧增强轻金属(如Al-Si₃N₄(W))、陶瓷(如：Si₃N₄(P)/Si₃N₄(W)，SiC(P)/Si₃N₄(W))，及聚合物。其制备方法有下述几种：(1)碳热法：碳热法主要采用SiO₂(或含Si氧化物)与固相C为反应物，在1400～1600℃，氮气氛中发生固相反应产生SiO和CO气体，此气体与N₂反应形成Si₃N₄晶须。此反应一般需预先加入FeNi或Co做催化剂，Si₃N₄晶须生长经气—液—固传播过程，即在Si与Fe等预先形成的低熔点共溶液滴中，SiO、CO和N₂达到一定的过饱和度，经液—固凝聚使Si₃N₄定向生长。低熔点共溶体也可为含硅氧等硅酸盐体系，就反应过程及生成晶须而盲此方法缺点主要有三：(1)SiO₂与C需预先按比例均混，如其一过重或反应条件变化均导致其滞留于晶须中造成杂质，一般C过量，晶须需脱碳处理；(2)SiO₂和C固态颗粒固相或气固界面接触反应动力学过程较慢，影响转化率与制备效率；(3)SiO+C的VLS Si₃N₄晶须生长一般导致晶须头部留有球形低熔点非晶球滴，如FeC，硅酸盐，其存在是影响其结构应用的重要因素之一。但由于此方法的原料SiO、C成本较低，是小批量供应相对质量Si₃N₄晶须的主要制备技术，目前在日本、美国有小量产业化。此方法的反应式可表示为：(2)硅氮化：硅氮化是硅粉在氮气氛中高温形成硅蒸汽或熔融Si与N₂发生放热反应，在一定的冷却基板通过杂质形核按VLS机制生长Si₃N₄晶须，其特征反应式为：此方法原料Si成本较高，产率较低且也存在一定杂质，目前仅限于实验室研究水平。(3)含硅卤素热解：此法一般以含硅卤素气体或液体如SiHCl₃、SiHBr₃、(CH₃)SiCl₃在NH₃气中热解发生气相或液相反应形成中间物如Si(NH)₄、Si₃N₄，此中间体再加入SiO₂、Fe、Ni等催化剂和C气氛进行固相热解，典型反应可表示为：卤素热解法缺点是工艺复杂，原料有腐蚀性，且须内杂质含量较高。(4)有机硅热解法：此法一般采用有机硅烷单体或其聚合物在适当温度和气氛中热解直接形成Si₃N₄晶须或先形成中间体再热解制得晶须，此法较新，所制产物一般较长，亦称纤维，其内一般含有较多有机物，需后续热处理脱出。

本发明的目的在于提供一种无需其它助剂及后处理，生产过程简单，成本低，适合于工业化生产的高质量Si₃N₄晶须的制备技术。