專利名稱：一種低溫制備氮化硅粉體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫制備氮化硅粉體材料的方法，屬于無(wú)機(jī)非金屬粉體材料制備方法技 術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景氣化硅材料因具有良好的力學(xué)性能、高的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的密度以及優(yōu)異的高溫性能，抗 熱沖擊，抗蠕變，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如高接觸應(yīng)力條件下的滑動(dòng)、滾動(dòng)軸承，磨球，高溫、 化學(xué)腐蝕條件下工作的結(jié)構(gòu)陶瓷，高效研磨材料，耐火材料等，制備Si3N4粉體材料的已有方法包括在120(K1450"C的溫度范圍內(nèi)硅與氮?dú)膺M(jìn)行反應(yīng)制備 Si3N4;在120(K1450匸的溫度范圍二氧化硅在氨氣或氮?dú)庵羞M(jìn)行碳熱還原反應(yīng)制備Si3N4; SiS2與 氨氣在1200 1450'C以上進(jìn)行反應(yīng)制備Si3N4; SiCU或SiH4與仰3在500~900匸的溫度范圍進(jìn)行 反應(yīng)制各Si3N4:有機(jī)物在115(K1400'C高溫?zé)岱纸庵苽銼i3N4;高溫自蓃延合成Si3N4;在670X: 以上溶劑熱合成Si3N4; 二氧化硅與氨基鈉在700"C以上反應(yīng)制備Si3N4; MgaSi與氯化銨在450~600 X:反應(yīng)制備SbN4。通過(guò)這些方法制備SbN4—般都是在高溫條件下進(jìn)行，能耗大，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)， 生產(chǎn)效率低。通過(guò)SiCU與NaN3之間的反應(yīng)雖然可以在200~400'C的低溫下制備Si3N4,但由于SiCl4 沸點(diǎn)低(57.6'C),揮發(fā)性強(qiáng)，反應(yīng)不易控制，因此探索低溫制備Si3N4的新技術(shù)對(duì)于擴(kuò)大Si3N4的 應(yīng)用具有重要意義。 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種通過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)反應(yīng)法低溫制備氮化硅粉體 材料&^方法，該方法能耗低、反應(yīng)時(shí)間短、生產(chǎn)效率髙。 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種低溫制備氮化硅粉體材料的方法，步驟如下(1) 按疊氮鈉中鈉原子與鹵硅烷中鹵素原子的原子比1:1 1.5:1進(jìn)行配料，裝入反應(yīng)釜 中，封緊反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜在加熱爐中加熱到250 550'C，使反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)0 5小吋后停止加熱，自然冷卻至室溫；(2) 用乙醚反復(fù)清洗、抽濾反應(yīng)產(chǎn)物，以除去殘余鹵硅垸，至濾液為無(wú)色為止；(3) 再用去離子水清洗反應(yīng)產(chǎn)物，除去反應(yīng)副產(chǎn)物氯化鈉，至濾液呈中性；(4) 將反應(yīng)產(chǎn)物在60 80'C溫度下供干3~8小時(shí)，得到灰色或黑色粉末；(5) 將上述粉末在空氣中加熱到75(K800'C,氧化除碳，即得到Si3N4粉體。所述步驟(1)中的鹵硅垸通式為RnSiX^，其中R為垸基或芳香基，X為鹵素，n=l、 2、 3，如甲基三氯硅垸、二甲基二氯硅烷、三甲基一氯硅垸、三氯乙烯硅垸、三氯乙基硅烷、乙 基二氯硅烷、二乙基二氯硅烷、三乙基氯硅烷、苯基三氯硅垸、二苯基二氯硅垸、三苯基一 氯硅烷、三甲基溴硅烷、三甲基碘硅垸。本發(fā)明以有機(jī)物鹵硅烷作硅源，以無(wú)機(jī)物疊氮鈉作氮源，在25(K550C的低溫下制備Si3N4 粉體材料，所得的產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性好，產(chǎn)率不低于70%，粉體的尺寸在5(K200nm之間。本 發(fā)明具有反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時(shí)間短、能耗小、,率高、反應(yīng)易控制等優(yōu)點(diǎn)。


'圖1為實(shí)施例4制得的Si3N4粉體的X-射線粉末衍射圖； 圖2為實(shí)施例4制得的Si3N4粉體的透射電鏡形貌圖；圖3為實(shí)施例8制得的Si3N4粉體的透射電鏡形貌圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備SbN4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中， 用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.32ml.CH3SiCl3，移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反 應(yīng)釜在加熱爐中加熱到550'C，保溫5小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色，再用去 離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在60C下烘干5小時(shí)后，得到灰黑色粉末1.7g。粉末 在空氣中加熱到75(K800'C，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。實(shí)施例2:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備SbN4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中， 用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.32mlCH3SiCb,移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反 應(yīng)釜在加熱爐中加熱到40(TC，到40(TC后保溫5小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色， 再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在60'C烘干8小時(shí)后，得到灰白色粉末1.4g。 粉末在空氣中加熱到75(K800'C，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。實(shí)施例3:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備SbN4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中， 用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.32mlCH3SiCl3，移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反 應(yīng)釜在加熱爐中加熱到30CTC，到300。C后保溫5小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色， 再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在70'C烘干5小時(shí)后，得到灰黑色粉末1.6g。 粉末在空氣中加熱到75(K800'C,氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。實(shí)施例4:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備Si3N4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中， 用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.32mlCH3SiCl3，移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反應(yīng)釜在加熱爐中加熱到250'C,到250'C后保溫5小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色， 再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在80C烘干3小時(shí)后，得到灰色粉末1.9g。粉 末在空氣中加熱到750~8001:,氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。圖1為本實(shí)施例制得的Si3N4粉體的X-射線粉末衍射圖，圖中可以看到粉體是由a-Si3N4和P-Si3N4組成。圖2為本實(shí)施例制得的Si3N4粉體的透射電鏡形貌圖，圖中可以看到，粉體主要包含短棒狀的形態(tài)和顆粒狀形態(tài)。實(shí)施例5:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備SbN4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中， 用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.321111(:11331<:13，移入30ml反應(yīng)釜中封釜后，將反 應(yīng)釜在加熱爐中加熱到550'C,到55(TC后保溫1小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色， 再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在6(TC烘干5小時(shí)后，得到灰色粉末L3g。粉 末在空氣中加熱到750^800'C，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。實(shí)施例6:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備Si3N4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中，用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3，移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反 應(yīng)釜在加熱爐中加熱到到250'C后保溫2小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色， 再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在60'C烘干5小時(shí)后，得到灰黑色粉末2.58。 粉末在空氣中加熱到75(K800t:，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。實(shí)施例7:通過(guò)CH3SiCl3與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備Si3N4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中， 用天平稱取7.5gNaN3，用移液管量取4.32ml CH3SiCl3,移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反 應(yīng)釜在加熱爐中加熱到550'C,到550'C后停止加熱；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú)色， 再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在6(TC烘干5小時(shí)后，得到灰色粉末l，5g。粉 末在空氣中加熱到750^800'C，氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。實(shí)施例8:通過(guò)(CH3)3SiCl與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備Si3N4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱 中，用天平稱取3.8gNaN3，用移液管量取6ml(CH3)3SiCl，移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將 反應(yīng)釜在加熱爐中加熱到550'C,到55(TC后保溫1小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液無(wú) 色，再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在60'C烘干5小時(shí)后，得到灰色粉末2.28。 粉末在空氣中加熱到750 800'C,氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。圖3為本實(shí)施例制得的Si3N4粉體的透射電鏡形貌圖，圖中可以看到，粉體主要由球形顆 粒組成。實(shí)施例9:通過(guò)(CH3)2SiCl2與NaN3之間的化學(xué)反應(yīng)制備Si3N4粉體在無(wú)水無(wú)氧手套箱中，用天平稱取5gNaN3，用移液管量取4.5ml(CH3)2SiCl2，移入30ml反應(yīng)釜中；封釜后，將反應(yīng)釜在加熱爐中加熱到25(TC，到250'C后保溫2小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)無(wú)水乙醚清洗至濾液 無(wú)色，再用去離子水清洗至濾液呈中性，然后將產(chǎn)物在60'C烘干5小時(shí)后，得到灰白色粉末 1.6g。粉末在空氣中加熱到75(K800'C,氧化除碳，即得到灰白色Si3N4粉體。
權(quán)利要求
1. 一種低溫制備氮化硅粉體材料的方法，其特征在于步驟如下(1)按疊氮鈉中鈉原子與鹵硅烷中鹵素原子的原子比1∶1～1.5∶1進(jìn)行配料，裝入反應(yīng)釜中，封緊反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜在加熱爐中加熱到250～550℃，使反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)0～5小時(shí)后停止加熱，自然冷卻至室溫；(2)用乙醚反復(fù)清洗、抽濾反應(yīng)產(chǎn)物，除去殘余鹵硅烷，至濾液為無(wú)色為止；(3)再用去離子水清洗反應(yīng)產(chǎn)物，除去反應(yīng)副產(chǎn)物氯化鈉，至濾液呈中性；(4)將反應(yīng)產(chǎn)物在60～80℃溫度下烘干3～8小時(shí)，得到灰色或黑色粉末；(5)將上述粉末在空氣中加熱到750～800℃，氧化除碳，即得到Si3N4粉體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫制備氮化硅粉體材料的方法，其特征在于所述步驟(l) 中的鹵硅烷通式為RnSiX4^n，其中R為烷基或芳香基，X為鹵素，n=l、 2、 3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫制備氮化硅粉體材料的方法，本發(fā)明以疊氮鈉作氮源，以鹵硅烷作硅源，在反應(yīng)釜中加熱到250～550℃，使反應(yīng)物之間發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)0～5小時(shí)后停止加熱，自然冷卻，然后依次用乙醚、去離子水清洗，以除去殘余反應(yīng)物及反應(yīng)副產(chǎn)物，然后在60～80℃下烘干3～8小時(shí)，得到灰色或黑色粉末，即為氮化硅，再將粉末在空氣中加熱到750～800℃，氧化除碳，即得到較純的氮化硅粉體。本發(fā)明所得的產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性好，產(chǎn)率高，粉體的尺寸在50～200nm之間，具有反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時(shí)間短、能耗小、產(chǎn)率高、反應(yīng)易控制等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B21/00GK101259957SQ200810015630
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者亓永新, 龐林林, 朱慧靈, 李少杰, 畢見(jiàn)強(qiáng), 王偉禮, 白玉俊, 韓福東 申請(qǐng)人:山東大學(xué)