專利名稱：自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種采用自蔓燃制備氮化硅復合碳化
硅粉體的方法，制備的氮化硅復合碳化硅粉體可廣泛的應用于精細陶瓷和高端耐火材料等 領域。
背景技術：
由于氮化硅復合碳化硅陶瓷具有獨特的物理和機械性能，例如密度低、高強度、高 硬度、耐磨損、耐腐蝕、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，在航空、航天、化學工業(yè)、能源、機械制造、兵器工 業(yè)、金屬冶煉等領域有著廣泛的應用前景。 目前制備的氮化硅復合碳化硅粉體的傳統(tǒng)方法采用單一的氮化硅粉體和碳化硅 粉體進行混合，要對氮化硅和碳化硅粉體單獨進行合成，該方法是合成氮化硅復合碳化硅 粉體的最有效的、并且是相對簡單方法，是工業(yè)中普遍應用的方法。其工序復雜，并且混合 的氮化硅復合碳化硅粉體混合效果不好，導致了氮化硅復合碳化硅陶瓷的生產成本較高， 能耗較大的缺點。 自蔓燃高溫合成技術(Self-prop卿tion High-t卿erature Synthesis,縮寫 SHS)，也稱燃燒合成技術(Combustion Synthesis,所寫CS)，是利用反應物之間反應放熱和 自傳導方式來合成材料的一種方式。當反應物一旦被引燃，便會自動向尚未反應的區(qū)域傳 播，直至反應完全，整個過程幾乎不需要外界提供任何能源并且反應時間較快，是一種倍受 關注的合成粉料的方法。但在采用自蔓燃高溫合成技術制備氮化硅復合碳化硅粉體方面， 尚未見報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服上述已有技術的不足，而提供一種自蔓燃制備氮化硅復合碳 化硅粉體的方法，主要解決現(xiàn)有的方法生產氮化硅復合碳化硅粉體工序復雜、混合效果不 好、生產成本較高及能耗較大等問題。 為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的 方法，其特殊之處在于它包括如下步驟 (1)原料處理對粒度為300目的金屬硅粉進行高速球磨處理12-16小時，提高硅 粉的活性，其中硅粉的純度大于98. 5% ，硅粉經機械化干混，即采用行星式球磨機，放置在 鋼罐中，以鋼球作為球磨介質； (2)配料以上述處理后的金屬硅粉為原料，加入碳粉、稀釋劑，其重量百分比為
金屬硅粉(處理后)45-50wt% ，
高純碳黑5_10wt%
稀釋劑45wt^， 上述稀釋劑述為氮化硅粉體，平均粒徑為3-10 ii m ; (3)混合將配料步驟的混合物攪拌1-4小時，使其充分混合均勻，取出后用40目篩網過篩，所述的攪拌為機械化干混，即采用罐磨機進行攪拌球磨，放置在剛玉罐中，以鋼
球為球磨介質，料球重量比為i : 2 5，混后的物料過40目篩網； (4)自蔓燃反應將上述過篩后的粉料裝在半圓柱狀的石墨舟內，再放置在自蔓
燃反應器內，抽真空后，充高純氮氣，壓力保持在5MPa，點火引導高溫自蔓燃合成，可通過
0. 6mm的鴇絲纏繞成螺旋狀，持續(xù)通入10-20A的直流電，使線圈發(fā)熱，溫度達到了原料混合
物中硅粉與氮氣的反應溫度，生成氮化硅粉體，反應放出的熱量導致兩個反應生成碳化硅
粉體，直至碳粉反應完全 Si+C—SiC Si3N4+C — SiC+N2 Si粉和碳粉為放熱反應，氮化硅與碳粉的反應為吸熱反應，由于該反應為次要反 應，總體反應仍放出熱量，然后化學反應在物料中以蔓燃的方式逐層推進，直至合成反應完 成，合成后反應器通循環(huán)水冷卻； (5)得成品反應后反應器內壓力會升高8MPa以上，當反應結束后，壓力下降，當 反應器的壓力降到6MPa以下時，釋放反應器內的壓力，得到青綠色、疏松的塊狀產物，即為 氮化硅復合碳化硅粉體，細磨后得到氮化硅復合碳化硅粉體成品。 本發(fā)明的自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，所獲的產品純度高，燒結活 性好。球磨后的硅粉為反應提供了少量的無定形硅粉，提高了初始燃燒燃燒反應物活性，加 入一定量的氮化硅復合碳化硅粉體， 一方面控制反應的溫度，控制反應物料體系各部位的 溫度場均勻分布，防止了過多的熔融硅的產生，同時調整了物料的孔隙率，利于滲氮反應， 實現(xiàn)了硅粉的完全氮化，保證了自蔓燃反應平穩(wěn)、持續(xù)、快速的進行。 本發(fā)明所述的自蔓燃制備高氮化硅復合碳化硅粉體的方法與已有技術相比具有 突出的實質性特點和顯著進步l)原材料方便可得，并且無需酸洗等特殊處理；2)合成反 應時間迅速，生產效率高，整個反應周期(包括混料、合成反應、合成物處理)50-60分鐘， 易于工業(yè)化生產；3)節(jié)約能源，除卻引燃反應外，不需要外加熱源，合成反應依靠原料自身 反應放出的熱量自蔓燃維持，節(jié)約能源，降低了成本；4)由于較好的控制住了反應時的溫 度和反應速度，反應的轉化率高，合成的產物純度高，晶粒規(guī)則，便于研磨后處理；5)工藝 簡單，產品純度高，投資少，制備的粉體燒結活性好，整個工序簡單可靠，易于實現(xiàn)大規(guī)模生 產。


圖1是實施例1自蔓燃合成產物取樣的粉體掃描電鏡顯微分析圖；
圖2為實施例2自蔓燃合成產物取樣的粉體掃描電鏡顯微分析圖；
圖3為實施例3自蔓燃合成產物取樣的粉體掃描電鏡顯微分析圖。
具體實施例方式
為了更好地理解與實施，下面結合實施例詳細說明本發(fā)明自蔓燃制備氮化硅復合 碳化硅粉體的方法。 實施例l，將300目的金屬硅粉，純度> 98. 5%，鐵含量< 0. 8%，以鋼球為球磨介 質，放置在鋼罐中，料球重量比為1 : 2，在行星式球磨機上進行12小時的球磨處理；球磨后的硅粉作為下一步混料的原料；按重量比金屬硅粉(球磨后)為50% ，重量為1000克， 高純碳黑為5% ，重量為100克，氮化硅粉體為45% (平均粒徑為3 ii m)，重量為900克，混 合后，以鋼球為球磨介質，放置在剛玉罐中，料球重量比為1 : 2，放在罐磨機上攪拌球磨 1小時，混合均勻后的物料過40目篩網，過篩后的物料均勻的放置于多孔的半圓柱狀的石 墨舟內，然后放入自蔓燃合成反應器內，抽真空后，充入5MPa的高純氮氣，用直徑0. 6mm的 鎢絲作發(fā)熱體，持續(xù)通入10A的電流，使線圈發(fā)熱，溫度達到了原料混合物中硅粉與氮氣的 反應溫度，然后化學反應在物料中以蔓燃的方式逐層推進，反應時間持續(xù)27分鐘后反應器 內壓力開始下降，此時反應器通循環(huán)水冷卻，當反應器的壓力降到6MPa時，釋放反應器內 的壓力，然后開啟反應器取出疏松狀的產物，得到的產物整體呈青綠色，無黑色顆粒存在， 化學分析表明反應物中無碳粉存留，表明碳粉已經充分參與了反應生成了碳化硅粉體，剩 余的硅粉與氮氣發(fā)生反應生成氮化硅粉體，形成氮化硅復合碳化硅粉體。
本實例中合成產物的掃描電鏡顯微分析形貌圖見圖1。 實施例2，將300目的金屬硅粉，純度> 98. 5%，鐵含量< 0. 8%，以鋼球為球磨介 質，放置在鋼罐中，料球重量比為l : 5，在行星式球磨機上進行16小時的球磨處理，球磨 后的硅粉作為下一步混料的原料；按重量比金屬硅粉(球磨后)為45%，重量為900克，高 純碳黑為10% ，重量為200克，氮化硅粉體為45% (平均粒徑為10 ii m)，重量為900克，混
合后，以鋼球為球磨介質，放置在剛玉罐中，料球重量比為i : 5，放在罐磨機上攪拌球磨
4小時，混合均勻后的物料過40目篩網，過篩后的物料均勻的放置于多孔的半圓柱狀的石 墨舟內，然后放入自蔓燃合成反應器內，抽真空后，充入5MPa的高純氮氣，用直徑0. 6mm的 鎢絲作發(fā)熱體，持續(xù)通入20A的電流，使線圈發(fā)熱，溫度達到了原料混合物中硅粉與氮氣的 反應溫度，然后化學反應在物料中以蔓燃的方式逐層推進，反應時間持續(xù)32分鐘后反應器 內壓力開始下降，此時反應器通循環(huán)水冷卻，當反應器的壓力降到6MPa時，釋放反應器內 的壓力，然后開啟反應器取出疏松狀的產物，得到的產物整體呈青綠色，無黑色顆粒存在， 化學分析表明反應物中無碳粉存留，表明碳粉已經充分參與了反應生成了碳化硅粉體，剩 余的硅粉與氮氣發(fā)生反應生成氮化硅粉體，形成氮化硅復合碳化硅粉體。
本實例中合成產物的掃描電鏡顯微分析形貌圖見圖2。 實施例3，將200目的金屬硅粉，純度> 98. 5%，鐵含量< 0. 8%，以鋼球為球磨介 質，放置在鋼罐中，料球重量比為1 : 3，在行星式球磨機上進行14小時的球磨處理；球 磨后的硅粉作為下一步混料的原料；按重量比金屬硅粉(球磨后)為47%，重量為940克， 高純碳黑為8% ，重量為160克，氮化硅粉體為45% (平均粒徑為6 ii m)，重量為900克，混 合后，以鋼球為球磨介質，放置在剛玉罐中，料球重量比為1 : 4，放在罐磨機上攪拌球磨 3小時，混合均勻后的物料過40目篩網，過篩后的物料均勻的放置于多孔的半圓柱狀的石 墨舟內，然后放入自蔓燃合成反應器內，抽真空后，充入5MPa的高純氮氣，用直徑0. 6mm的 鎢絲作發(fā)熱體，持續(xù)通入15A的電流，使線圈發(fā)熱，溫度達到了原料混合物中硅粉與氮氣的 反應溫度，然后化學反應在物料中以蔓燃的方式逐層推進，反應時間持續(xù)29分鐘后反應器 內壓力開始下降，此時反應器通循環(huán)水冷卻，當反應器的壓力降到6MPa時，釋放反應器內 的壓力，然后開啟反應器取出疏松狀的產物，得到的產物整體呈青綠色，無黑色顆粒存在， 化學分析表明反應物中無碳粉存留，表明碳粉已經充分參與了反應生成了碳化硅粉體，剩 余的硅粉與氮氣發(fā)生反應生成氮化硅粉體，形成氮化硅復合碳化硅粉體。
本實例中合成產物的掃描電鏡顯微分析形貌圖見圖
權利要求
自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，其特征在于它包括如下步驟(1)原料處理對粒度為300目的金屬硅粉進行球磨處理12-16小時；(2)配料以上述處理后的金屬硅粉為原料，加入高純碳黑、稀釋劑，其重量百分比為金屬硅粉45-50wt％，高純碳黑5-10wt％，稀釋劑45wt％，上述稀釋劑述為氮化硅粉體，平均粒徑為3-10μm；(3)混合將配料步驟的混合物攪拌球磨1-4小時，取出后用40目篩網過篩；(4)自蔓燃反應將上述過篩后的粉料裝在半圓柱狀的石墨舟內，再放置在自蔓燃反應器內，抽真空后，充入高純氮氣，壓力保持在5MPa，點火引導高溫自蔓燃合成，合成后通循環(huán)水冷卻；(5)得成品反應后反應器內壓力會升高8MPa以上，當反應結束后，壓力下降，當反應器的壓力降到6MPa以下時，釋放反應器內的壓力，得到青綠色、疏松的塊狀產物，細磨后得到氮化硅復合碳化硅粉體成品。
2. 根據權利要求1所述的自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，其特征在于所述 的金屬硅粉的純度大于98.5%。
3. 根據權利要求1所述的自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，其特征在于所述 的原料處理步驟采用行星式球磨機進行研磨，放置在鋼罐中，以鋼球作為球磨介質。
4. 根據權利要求1所述的自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，其特征在于所述 的混合步驟采用罐磨機進行攪拌球磨，放置在剛玉罐中，以鋼球中為球磨介質。
5. 根據權利要求1所述的自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，其特征在于所述 的自蔓燃反應步驟的點火引導高溫自蔓燃合成，是通過0. 6mm的鎳鉻絲纏繞成螺旋狀，持 續(xù)通入10-20A的直流電，使線圈發(fā)熱，溫度達到了原料混合物中硅粉與氮氣的反應溫度， 然后化學反應在物料中以蔓燃的方式逐層推進，直至反應完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自蔓燃制備氮化硅復合碳化硅粉體的方法，其特點是它包括原料處理、配料、混合、自蔓燃反應得成品等工藝步驟，配料步驟各原料的重量配比為金屬硅粉45-50wt％、高純碳黑5-10wt％、稀釋劑45wt％；其工藝簡單，產品純度高，投資少，制備的粉體燒結活性好，整個工序簡單可靠，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產。
文檔編號C04B35/64GK101774809SQ20101012005
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權日2010年3月5日
發(fā)明者劉國璽, 常永威, 徐志雄, 李國斌, 李康, 李金富, 段關文, 燕東明, 王擁軍, 趙斌, 陳新力, 高曉菊 申請人:中國兵器工業(yè)第五二研究所