[发明专利]一种制备α-Si3N4晶须的方法

说明书

本发明属于材料工程领域，特别涉及一种制备陶瓷晶须的方法。

单晶陶瓷晶须由于其优良的强度、弹性模量等力学性能以及独特的物理性能，而在各种类型的复合材料(金属基，陶瓷基，树脂基等)中得到广泛应用。在各种晶须中又以碳化硅与氮化硅的应用范围及前景最为广阔。氮化硅晶须虽然在强度与模量方面不如碳化硅，但它却具有较低的热膨张系数与导热性及较高的介电常数与电阻率等优点。因而在许多场合的应用优于碳化硅晶须，故而近年来受到广泛重视。

文献(1-12)报道了几种制备氮化硅晶须的方法。文献1(日本专利：JP0427600[9227600])以通过水玻璃和碳氢化合物制得的氧化硅-碳混合物为原料，且需一种特殊金属催化剂；文献2(WANG，Ming Jong and WADA，Harue：“Synthesis andcharaterization of silicon nitride whiskers”，J.Mater.Sci.，25(1990)，1690—1698)提到的方法需保持一定分压的氧气，且所得产物为佩塔-氮化硅晶须；文献3(加拿大专利：CA2000457)以氧化硅与氮化硅晶须混合物为原料，且需氨与碳-氢化合物形成的混合气体和过渡族金属催化剂；文献4(日本专利：JP0251499[9051499])需先将硅或二氧化硅粉末与金属粉末混合烧结，然后再在氮气-百分之五体积分数氢气的气氛下，并添加铁粉进一步加热分解；文献5(日本专利：JP0274598[9074598])则以二氧化硅与铁，镍，铬，钴等的混合物为原料，仍需在碳-氢化合物与氨的混合气氛下反应；文献6(日本专利：JP0234598[9034598])介绍了一种以硅的卤化物和氨为原料，以气相沉积方法制备氮化硅晶须的方法；文献7(日本专利：JP01301594[89301594])介绍了一种以二氧化硅、碳及氟化物为原料制备氮化硅晶须的方法；文献8(日本专利：JP01301595[89301595]与文献9(日本专利：JP013001596[89301596])所介绍的方法均需以金属为催化剂；文献10(日本专利：JP01179800[89179800])介绍了一种以稻壳为原料的方法，但工艺比较复杂；文献11(日本专利：JP01278500[89278500])与文献12(中国专利：CN1056908A)则介绍了制备佩塔-氮化硅晶须的方法；文献11的方法需将二氧化硅粉在氨与碳氢气氛中预烧成非晶氮化硅，然后在金属卤化物环境下加热反应而成；文献12则需将硅的非晶氧化物与碳粉预先按一定比例混合烧结，且需通入适量的氩气控制反应速度。

本发明的目的是提供一种制备阿耳法-氮化硅晶须的方法。由该方法制备阿耳法-氮化硅晶须不需要特殊金属催化剂，生产工艺过程简单，适合于批量生产。

本发明以粒度小于0.5毫米的单一氧化硅粉末为原料，或以粉状直接均匀铺设于石墨容器(本发明所称容器均包括任何形状的能放置并保存固态物质的物体)内，或经冷压成胚体后放入石墨容器内，或与水混合成浆料后涂附于在1600℃不发生化学分解的衬板上再放入石墨容器内，无需任何添加剂，也无需除氮气以外的任何其他气体，只需在石墨容器内通以0.1MPa～200MPa压力的氮气，在1200℃～1600℃之间保温0.5小时～5.0小时即可获得晶体结构完整，表面质量优良，长度为10μm～1000μm，直径为0.5μm～5.0μm的单晶阿耳法-氮化硅晶须。在透射电子显微镜下的典型形貌如附图1所示。

本发明附图说明：

图1是按本发明实施例一所获得的阿耳法-氮化硅晶须的透射电子显微镜照片。

与前述各种方法比较，已有的制备氮化硅晶须方法虽然均以含硅化合物为原料，但要么需与一定比例碳粉混合，要么需加一定的催化剂，或需除氮气以外的其他气体来控制反应速度。本方法则不需除氧化硅以外的其他原材料，而且一次反应完成，具有明显的原材料单一、工艺方法简单等优点，不需要任何有可能造成污染的气体，适合于批量生产。

以下给出本发明二个实施例：

实施例一：将-100目的氧化硅粉与水混合成浆料后涂于在1600℃以下不发生分解的衬板(如氧化铝等)上，烘干或自然干燥后置于石墨容器内，通以0.7MPa压力氮气(99.90％)在1500℃反应二小时。以上述工艺制得的晶须经X-射线及透射电镜测试确定为单晶阿耳法-氮化硅晶须，平均长度90μm，平均直径1.5μm，其透射电镜形貌如图1所示。经差热分析在1250℃时未发生明显氧化。(虽然本实施例提及氮气纯度为99.90％，但这一纯度要求对于本发明的实施并非是必需的条件。)

实施例二：以与实施例一相同的原材料，经冷压成胚体后置于与实施例一相同的石墨容器内，在150MPa压力氮气，1450℃下反应1.5小时。在胚体表面所得制品为单晶阿耳法-氮化硅晶须，平均长度80μm，平均直径1.7μm。