CN101774809A

CN101774809A - 自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法

Info

Publication number: CN101774809A
Application number: CN201010120054A
Authority: CN
Inventors: 李金富; 燕东明; 李康; 陈新力; 李国斌; 常永威; 高晓菊; 赵斌; 刘国玺; 徐志雄; 段关文; 王拥军
Original assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2010-07-14

Abstract

本发明公开了一种自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特点是它包括原料处理、配料、混合、自蔓燃反应得成品等工艺步骤，配料步骤各原料的重量配比为：金属硅粉：45-50wt％、高纯碳黑：5-10wt％、稀释剂：45wt％；其工艺简单，产品纯度高，投资少，制备的粉体烧结活性好，整个工序简单可靠，易于实现大规模生产。

Description

自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法

技术领域：

本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种采用自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，制备的氮化硅复合碳化硅粉体可广泛的应用于精细陶瓷和高端耐火材料等领域。

背景技术：

由于氮化硅复合碳化硅陶瓷具有独特的物理和机械性能，例如密度低、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、优良的热稳定性，在航空、航天、化学工业、能源、机械制造、兵器工业、金属冶炼等领域有着广泛的应用前景。

目前制备的氮化硅复合碳化硅粉体的传统方法采用单一的氮化硅粉体和碳化硅粉体进行混合，要对氮化硅和碳化硅粉体单独进行合成，该方法是合成氮化硅复合碳化硅粉体的最有效的、并且是相对简单方法，是工业中普遍应用的方法。其工序复杂，并且混合的氮化硅复合碳化硅粉体混合效果不好，导致了氮化硅复合碳化硅陶瓷的生产成本较高，能耗较大的缺点。

自蔓燃高温合成技术(Self-propagation High-temperature Synthesis，缩写SHS)，也称燃烧合成技术(Combustion Synthesis，所写CS)，是利用反应物之间反应放热和自传导方式来合成材料的一种方式。当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，整个过程几乎不需要外界提供任何能源并且反应时间较快，是一种倍受关注的合成粉料的方法。但在采用自蔓燃高温合成技术制备氮化硅复合碳化硅粉体方面，尚未见报道。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，主要解决现有的方法生产氮化硅复合碳化硅粉体工序复杂、混合效果不好、生产成本较高及能耗较大等问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特殊之处在于它包括如下步骤：

(1)原料处理：对粒度为300目的金属硅粉进行高速球磨处理12-16小时，提高硅粉的活性，其中硅粉的纯度大于98.5％，硅粉经机械化干混，即采用行星式球磨机，放置在钢罐中，以钢球作为球磨介质；

(2)配料：以上述处理后的金属硅粉为原料，加入碳粉、稀释剂，其重量百分比为：

金属硅粉(处理后)：45-50wt％，

高纯碳黑：5-10wt％

稀释剂：45wt％，

上述稀释剂述为氮化硅粉体，平均粒径为3-10μm；

(3)混合：将配料步骤的混合物搅拌1-4小时，使其充分混合均匀，取出后用40目筛网过筛，所述的搅拌为机械化干混，即采用罐磨机进行搅拌球磨，放置在刚玉罐中，以钢球为球磨介质，料∶球重量比为1∶2～5，混后的物料过40目筛网；

(4)自蔓燃反应：将上述过筛后的粉料装在半圆柱状的石墨舟内，再放置在自蔓燃反应器内，抽真空后，充高纯氮气，压力保持在5MPa，点火引导高温自蔓燃合成，可通过0.6mm的钨丝缠绕成螺旋状，持续通入10-20A的直流电，使线圈发热，温度达到了原料混合物中硅粉与氮气的反应温度，生成氮化硅粉体，反应放出的热量导致两个反应生成碳化硅粉体，直至碳粉反应完全：

Si+C→SiC

Si₃N₄+C→SiC+N₂

Si粉和碳粉为放热反应，氮化硅与碳粉的反应为吸热反应，由于该反应为次要反应，总体反应仍放出热量，然后化学反应在物料中以蔓燃的方式逐层推进，直至合成反应完成，合成后反应器通循环水冷却；

(5)得成品：反应后反应器内压力会升高8MPa以上，当反应结束后，压力下降，当反应器的压力降到6MPa以下时，释放反应器内的压力，得到青绿色、疏松的块状产物，即为氮化硅复合碳化硅粉体，细磨后得到氮化硅复合碳化硅粉体成品。

本发明的自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，所获的产品纯度高，烧结活性好。球磨后的硅粉为反应提供了少量的无定形硅粉，提高了初始燃烧燃烧反应物活性，加入一定量的氮化硅复合碳化硅粉体，一方面控制反应的温度，控制反应物料体系各部位的温度场均匀分布，防止了过多的熔融硅的产生，同时调整了物料的孔隙率，利于渗氮反应，实现了硅粉的完全氮化，保证了自蔓燃反应平稳、持续、快速的进行。

本发明所述的自蔓燃制备高氮化硅复合碳化硅粉体的方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1)原材料方便可得，并且无需酸洗等特殊处理；2)合成反应时间迅速，生产效率高，整个反应周期(包括混料、合成反应、合成物处理)50-60分钟，易于工业化生产；3)节约能源，除却引燃反应外，不需要外加热源，合成反应依靠原料自身反应放出的热量自蔓燃维持，节约能源，降低了成本；4)由于较好的控制住了反应时的温度和反应速度，反应的转化率高，合成的产物纯度高，晶粒规则，便于研磨后处理；5)工艺简单，产品纯度高，投资少，制备的粉体烧结活性好，整个工序简单可靠，易于实现大规模生产。

附图说明：

图1是实施例1自蔓燃合成产物取样的粉体扫描电镜显微分析图；

图2为实施例2自蔓燃合成产物取样的粉体扫描电镜显微分析图；

图3为实施例3自蔓燃合成产物取样的粉体扫描电镜显微分析图。

具体实施方式：

为了更好地理解与实施，下面结合实施例详细说明本发明自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法。

实施例1，将300目的金属硅粉，纯度＞98.5％，铁含量＜0.8％，以钢球为球磨介质，放置在钢罐中，料∶球重量比为1∶2，在行星式球磨机上进行12小时的球磨处理；球磨后的硅粉作为下一步混料的原料；按重量比金属硅粉(球磨后)为50％，重量为1000克，高纯碳黑为5％，重量为100克，氮化硅粉体为45％(平均粒径为3μm)，重量为900克，混合后，以钢球为球磨介质，放置在刚玉罐中，料∶球重量比为1∶2，放在罐磨机上搅拌球磨1小时，混合均匀后的物料过40目筛网，过筛后的物料均匀的放置于多孔的半圆柱状的石墨舟内，然后放入自蔓燃合成反应器内，抽真空后，充入5MPa的高纯氮气，用直径0.6mm的钨丝作发热体，持续通入10A的电流，使线圈发热，温度达到了原料混合物中硅粉与氮气的反应温度，然后化学反应在物料中以蔓燃的方式逐层推进，反应时间持续27分钟后反应器内压力开始下降，此时反应器通循环水冷却，当反应器的压力降到6MPa时，释放反应器内的压力，然后开启反应器取出疏松状的产物，得到的产物整体呈青绿色，无黑色颗粒存在，化学分析表明反应物中无碳粉存留，表明碳粉已经充分参与了反应生成了碳化硅粉体，剩余的硅粉与氮气发生反应生成氮化硅粉体，形成氮化硅复合碳化硅粉体。

本实例中合成产物的扫描电镜显微分析形貌图见图1。

实施例2，将300目的金属硅粉，纯度＞98.5％，铁含量＜0.8％，以钢球为球磨介质，放置在钢罐中，料∶球重量比为1∶5，在行星式球磨机上进行16小时的球磨处理，球磨后的硅粉作为下一步混料的原料；按重量比金属硅粉(球磨后)为45％，重量为900克，高纯碳黑为10％，重量为200克，氮化硅粉体为45％(平均粒径为10μm)，重量为900克，混合后，以钢球为球磨介质，放置在刚玉罐中，料∶球重量比为1∶5，放在罐磨机上搅拌球磨4小时，混合均匀后的物料过40目筛网，过筛后的物料均匀的放置于多孔的半圆柱状的石墨舟内，然后放入自蔓燃合成反应器内，抽真空后，充入5MPa的高纯氮气，用直径0.6mm的钨丝作发热体，持续通入20A的电流，使线圈发热，温度达到了原料混合物中硅粉与氮气的反应温度，然后化学反应在物料中以蔓燃的方式逐层推进，反应时间持续32分钟后反应器内压力开始下降，此时反应器通循环水冷却，当反应器的压力降到6MPa时，释放反应器内的压力，然后开启反应器取出疏松状的产物，得到的产物整体呈青绿色，无黑色颗粒存在，化学分析表明反应物中无碳粉存留，表明碳粉已经充分参与了反应生成了碳化硅粉体，剩余的硅粉与氮气发生反应生成氮化硅粉体，形成氮化硅复合碳化硅粉体。

本实例中合成产物的扫描电镜显微分析形貌图见图2。

实施例3，将200目的金属硅粉，纯度＞98.5％，铁含量＜0.8％，以钢球为球磨介质，放置在钢罐中，料∶球重量比为1∶3，在行星式球磨机上进行14小时的球磨处理；球磨后的硅粉作为下一步混料的原料；按重量比金属硅粉(球磨后)为47％，重量为940克，高纯碳黑为8％，重量为160克，氮化硅粉体为45％(平均粒径为6μm)，重量为900克，混合后，以钢球为球磨介质，放置在刚玉罐中，料∶球重量比为1∶4，放在罐磨机上搅拌球磨3小时，混合均匀后的物料过40目筛网，过筛后的物料均匀的放置于多孔的半圆柱状的石墨舟内，然后放入自蔓燃合成反应器内，抽真空后，充入5MPa的高纯氮气，用直径0.6mm的钨丝作发热体，持续通入15A的电流，使线圈发热，温度达到了原料混合物中硅粉与氮气的反应温度，然后化学反应在物料中以蔓燃的方式逐层推进，反应时间持续29分钟后反应器内压力开始下降，此时反应器通循环水冷却，当反应器的压力降到6MPa时，释放反应器内的压力，然后开启反应器取出疏松状的产物，得到的产物整体呈青绿色，无黑色颗粒存在，化学分析表明反应物中无碳粉存留，表明碳粉已经充分参与了反应生成了碳化硅粉体，剩余的硅粉与氮气发生反应生成氮化硅粉体，形成氮化硅复合碳化硅粉体。

本实例中合成产物的扫描电镜显微分析形貌图见图3。

Claims

1.自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特征在于它包括如下步骤：

(1)原料处理：对粒度为300目的金属硅粉进行球磨处理12-16小时；

(2)配料：以上述处理后的金属硅粉为原料，加入高纯碳黑、稀释剂，其重量百分比为：

金属硅粉：45-50wt％，

高纯碳黑：5-10wt％，

稀释剂：45wt％，

上述稀释剂述为氮化硅粉体，平均粒径为3-10μm；

(3)混合：将配料步骤的混合物搅拌球磨1-4小时，取出后用40目筛网过筛；

(4)自蔓燃反应：将上述过筛后的粉料装在半圆柱状的石墨舟内，再放置在自蔓燃反应器内，抽真空后，充入高纯氮气，压力保持在5MPa，点火引导高温自蔓燃合成，合成后通循环水冷却；

(5)得成品：反应后反应器内压力会升高8MPa以上，当反应结束后，压力下降，当反应器的压力降到6MPa以下时，释放反应器内的压力，得到青绿色、疏松的块状产物，细磨后得到氮化硅复合碳化硅粉体成品。

2.根据权利要求1所述的自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特征在于所述的金属硅粉的纯度大于98.5％。

3.根据权利要求1所述的自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特征在于所述的原料处理步骤采用行星式球磨机进行研磨，放置在钢罐中，以钢球作为球磨介质。

4.根据权利要求1所述的自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特征在于所述的混合步骤采用罐磨机进行搅拌球磨，放置在刚玉罐中，以钢球中为球磨介质。

5.根据权利要求1所述的自蔓燃制备氮化硅复合碳化硅粉体的方法，其特征在于所述的自蔓燃反应步骤的点火引导高温自蔓燃合成，是通过0.6mm的镍铬丝缠绕成螺旋状，持续通入10-20A的直流电，使线圈发热，温度达到了原料混合物中硅粉与氮气的反应温度，然后化学反应在物料中以蔓燃的方式逐层推进，直至反应完成。