本發(fā)明涉及氮化硅陶瓷領(lǐng)域，具體公開了一種β-氮化硅晶須的制備方法。

背景技術(shù)：

氮化硅是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。它是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤滑性，并且耐磨損，高溫時抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。由于氮化硅陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來制造軸承、氣輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構(gòu)件。如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化硅陶瓷來制造發(fā)動機部件的受熱面，不僅可以提高柴油機質(zhì)量，節(jié)省燃料，而且能夠提高熱效率。

氮化硅晶粒有α型和β型，β-氮化硅材料具有高強度、高彈性模量、低熱膨脹率，以及優(yōu)良的耐熱性、電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性等特性。β型比α型在高溫條件下硬度更大、穩(wěn)定性更高。用作高溫陶瓷復(fù)合材料和特殊金屬復(fù)合材料，亦可作絕熱材料使用。而且β-氮化硅晶須可以用來增韌氮化硅陶瓷材料，提高其機械性能，擴大陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明提供一種燒結(jié)過程中控制相變速率的方法制備β-氮化硅晶須，該過程中可以通過調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度、保溫時間以及氮氣壓力的方式，來達(dá)到燒結(jié)高溫過程中控制相變(α→β)的目的。但是通過控制氮氣負(fù)壓的方法來實現(xiàn)控制α相到β相的相變，到目前為止，尚未見文獻報道，因為不恰當(dāng)?shù)牡獨鈮毫ν鶗?dǎo)致氮化硅分解，使β-氮化硅晶須難以制備成功。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種在高溫階段控制氮化硅的相變速率制備β-氮化硅晶須的方法，該方法操作簡單，制備的β-氮化硅晶須產(chǎn)量高、純度高的。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種控制相變制備β-氮化硅晶須的方法，利用α相氮化硅在高溫下能發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟璧脑?，通過控制高溫階段氮氣壓力來影響這一相變過程，以制備出β-氮化硅晶須。

以普通的氮化硅粉體溫原料，以為re2o3為燒結(jié)助劑，經(jīng)混料—球磨—干燥后得混合粉體：其中re為稀土元素，re＝la,ce,pr,nd,pm,sm,eu,gd,tb,dy,ho,er,tm,yb,lu等；將混合粉體放入坩堝中，在氮氣氣氛保護下，升溫?zé)Y(jié)制備β-氮化硅晶須。

所述原始氮化硅粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90％-99％，加入re2o3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-10％，得混合粉體。

所述原始氮化硅純度為99.9％以上，粒徑約為200nm；re2o3的純度大于99％，粒徑大于100nm。

所述燒結(jié)助劑re2o3按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比進行配料，放入無水乙醇溶劑中，經(jīng)機械攪拌10-30min后，加入氮化硅原始粉體中，使燒結(jié)助劑在原始粉體種分散。

所述混合粉體以無水乙醇為溶劑，以氮化硅球為介質(zhì)，在輥式球磨機上混合球磨10-30h,經(jīng)干燥、造粒后得混合粉體。

其中，該發(fā)明制備β-氮化硅晶須的方式是氣氛燒結(jié)，在氮氣氣氛、負(fù)壓條件下，升溫?zé)Y(jié)粉體。

所述混合粉體置于氮化硼坩堝中，放入氣氛保護燒結(jié)爐的爐腔中，以5-15℃/min的升溫速率至1500℃-1800℃，保溫0.5-5h。

升溫?zé)Y(jié)過程中保護氣氛為氮氣，純度為99.99％，升溫至1200℃-1800℃溫度區(qū)間，氮氣壓力控制在30kpa-100kpa范圍內(nèi)。

待冷卻至室溫后，取出坩堝，得到β-氮化硅晶須粉體，用氫氟酸水浴60℃-80℃，腐蝕5-20h,即可得高度分散的β-氮化硅晶須。

附圖說明

圖1本發(fā)明所用的原始α相氮化硅粉體sem圖

圖2本發(fā)明實施例1所制備的β-氮化硅晶須sem圖

圖3本發(fā)明實施例2所制備長β-氮化硅晶須sem圖

具體實施方式

本發(fā)明通過控制燒結(jié)過程中的氮氣壓力對高溫時氮化硅相變的影響來制備β-氮化硅晶須。雖然燒結(jié)過程中的溫度、保溫時間都對氮化硅的α～β相變有很大影響，但本發(fā)明發(fā)現(xiàn)氮氣壓力也能影響氮化硅相變速率，并且發(fā)現(xiàn)了生成β-氮化硅晶須所需合適的氮氣壓力，且未見文獻報道。

以普通的氮化硅粉體溫原料，以為re2o3為燒結(jié)助劑，經(jīng)混料—球磨—干燥后得混合粉體：其中re為稀土元素，re＝la,ce,pr,nd,pm,sm,eu,gd,tb,dy,ho,er,tm,yb,lu等，將混合粉體放入坩堝中，在氮氣氣氛保護下，升溫?zé)Y(jié)制備超長β-氮化硅晶須。

氮化硅粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90％-99％，加入re2o3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-10％，得混合粉體。

氮化硅純度為99.9％以上，粒徑約為200nm；re2o3的純度大于99％，粒徑大于100nm。

燒結(jié)助劑re2o3按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比進行配料，放入無水乙醇溶劑中，經(jīng)機械攪拌10-30min后，加入氮化硅原始粉體中，使燒結(jié)助劑在原始粉體種分散。

混合粉體以無水乙醇為溶劑，以氮化硅球為介質(zhì)，在輥式球磨機上混合球磨10-30h,經(jīng)干燥、造粒后得混合粉體。

該發(fā)明制備β-氮化硅晶須的方式是氣氛燒結(jié)，在氮氣氣氛、負(fù)壓條件下，升溫?zé)Y(jié)粉體。

混合粉體置于氮化硼坩堝中，放入氣氛保護燒結(jié)爐的爐腔中，以5-15℃/min的升溫速率至1500℃-1800℃，保溫0.5-5h。

升溫?zé)Y(jié)過程中保護氣氛為氮氣，純度為99.99％，升溫至1200℃-1800℃溫度區(qū)間，氮氣壓力控制在30kpa-100kpa范圍內(nèi)。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但絕非限制本發(fā)明，本發(fā)明也絕非僅限制于下述實施例的內(nèi)容。

實施例1

按氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)97％，燒結(jié)助劑yb2o3質(zhì)量分?jǐn)?shù)3％，進行配料得混合粉體后，1800℃氣氛燒結(jié)，保溫2h，氮氣壓力90kpa，制備β-氮化硅晶須。晶須形貌如圖2所示。

實施例2

按氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)99％，燒結(jié)助劑y2o3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1％，進行配料得混合粉體后，1700℃氣氛燒結(jié)，保溫1h，氮氣壓力60kpa，制備β-氮化硅晶須。晶須形貌如圖3所示。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種制備β?氮化硅晶須的方法，由α相的氮化硅粉體在氣氛爐中充入氮氣高溫下通過控制氮化硅相變(α→β)燒結(jié)制備β?氮化硅晶須。原始的α相氮化硅粉體在燒結(jié)爐的氮氣氣氛中升溫至1500℃?1800℃，保溫0.5?5h,可制備出一種長約10?20微米、長徑比大于15的高純β?氮化硅晶須。該發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于燒結(jié)過程中通過控制高溫階段α相氮化硅粉的相變速率制備高純β?氮化硅晶須。本發(fā)明方法制備的β?氮化硅晶須具有轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物純度高、制備設(shè)備簡單、可批量生產(chǎn)的優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：熊浩;奚修安;于俊杰;郭偉明;林華泰
受保護的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.27
技術(shù)公布日：2017.09.15