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燃烧合成氮化硅粉体 粒度测试条件及影响因素分析
2018月05月11日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:264
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氮化硅粉体有许多合成工艺路线,其中燃烧合成氮化硅粉具有工艺流程简单、生产周期短、成本低、产品纯度高等诸多优点,是当前氮化硅粉制备的主流方法之一。但燃烧合成过程温度高、反应难以控制,导致产物颗粒的形貌不规则、粒度分布较宽;除此之外燃烧合成的氮化硅粉体具有较高的活性,易发生静电团聚,使得粉体粒度的表征困难极大。


而在氮化硅成型过程中,需将不同粒度的粉体进行精细化级配以获得高的填充密度。因此,快速、准确地检测燃烧合成的氮化硅粉的粒度及其分布,对实际生产应用具有重要意义。下文将引用安徽工业大学冶金工程学院的一个研究工作成果为大家简单总结一下使用激光粒度仪检测燃烧合成氮化硅粉体粒度过程,影响粒度测量结果的因素及最佳的测量条件,希望能给大家的粒度测试工作带来一点点帮助。


该究工作结果表明:激光粒度仪可用于检测燃烧合成的Si3N4粉的粒度分布,悬浊液固含量、超声分散时间、分散剂含量及沉降时间对粒度测量结果影响显著。在该实验条件下,水为分散介质时,最佳固含量1.25g/kg、最佳超声时间60min、最佳分散剂用量3g/kg的条件下,超声分散后0.5h内进行粒度测量最可靠。下文为详细的测试过程及分析。


一、实验材料及测试仪器


1、实验材料:六偏磷酸钠[(NaPO3)6国药集团化学试剂],硅粉(粒度<40μm< span="">,纯度≥98%,武汉纽瑞琪)α相氮化硅(平均粒径3.8μmα相含量≥98%,北京兴荣源科技),氯化铵(NH4Cl,国药集团化学试剂),高纯氮气(N2,纯度99.99%,南京特种气体厂,离子水。


2、测试仪器:精度0.001g的电子天平,高能振动球磨机,高压反应釜,超声清洗仪,数显搅拌器,电热鼓风干燥箱,激光粒度测试仪,X射线衍射,冷场发射扫描电子显微镜。


二、简单实验过程


1、制取测试原料

采用燃烧合成法制备氮化硅粉:按90:5:5的质量比称取硅粉、氯化铵和稀释剂α相氮化硅,用高能振动球磨机研磨以充分混合,将球磨好的原料装入多孔石墨坩埚中,放入高压反应釜内,先抽真空,再充入高纯氮气,通过预先放置好的钨丝线圈通电点火引燃硅粉,在氮气中燃烧反应制得测试原料。


2、性能表征

XRD分析所制氮化硅粉的相组成,用SEM表征其微观形貌,用激光粒度仪(测量范围0.3-6000nm)分析其粒度分布。


三、结果与讨论

1、氮化硅粉体的物相分析

下图1为氮化硅粉的XRD谱,可以看出,氮化硅粉主要由α相氮化硅和β相氮化硅组成,峰强较强,半高宽较窄,表明氮化硅结晶较好,基本无可见的杂峰,未发现游离硅的衍射峰,表明硅粉基本完全被氮化。

1 氮化硅粉体的XRD


2、粒度分布及影响粒度测试结果的因素

超细粉体在水基溶液中的团聚行为是颗粒间吸附和排斥共同作用的结果,当吸附作用大于排斥作用时表现为团聚。微米级氮化硅粉体的吸附作用力包括颗粒间范德华力、静电和化学键(氢键)。超细颗粒表面积较大、表面能高,具有相互吸引以降低表面能的趋势(容易引起团聚),其中关键作用是范德华力。需研究分散条件以达到最好的分散效果,使测量值更准确可靠。


影响粒度测试结果的几个因素:

a固含量对粒度检测的影响

下图为为固含量对氮化硅粉体粒度检测的影响,从图中我们可以看出,固含量为0.75~1.25g/kg时,氮化硅粉的d50较稳定;固含量≤0.75g/kg时,氮化硅粉的d50值波动较大;固含量为0.25g/kg时,d50=8167.7nm,严重偏离实际粒度。

2固含量对粒度测量的影响


原因分析:

较小固含量时:激光粒度仪的检测激光束经过颗粒表面散射后的散射光强,反映被测颗粒的粒径,散射光强与颗粒粒径的6次方成正比,因此大颗粒的散射信号远大于小颗粒的散射信号。当被测体系中固含量较低时,样本容量较小,小颗粒的散射信号易被掩盖,造成测量值不具有统计意义,出现较大偏差


较大固含量时:固含量≥1.25g/kg时,氮化硅粉的d50值开始逐渐变大,这是因为随固含量增大,溶液中颗粒间距变小,范德华力和分子力增大,导致颗粒团聚程度加剧。氮化硅粉的d50 值开始逐渐变大,这是因为随固含量增大,溶液中颗粒间距变小,范德华力和分子力增大,导致颗粒团聚程度加剧。在相同分散方式下,固含量越大,溶液中的颗粒越不易分散,d50越大,甚至无法检测。


因此检测所需的固含量为0.75~1.25g/kg


b超声分散时间对粒度测量的影响

超声分散是利用超声振荡破坏氮化硅粉的团聚体,超声空化作用能使液体中的微气泡迅速成核、生长甚至猛烈崩溃,产生局部高温、高压,冲击固液体系,促进固相在液相中的分散。将固含量为1.25g/kg的氮化硅悬浊液在超声下分散不同时间,其粒度测量结果如图3所示。可以看出,随超声时间延长,氮化硅粉的d50值呈先增大后减小的趋势。

3 超声分散时间对粒度测量的影响


原因分析:激光粒度仪的激光束位于样品中间位置,超声时间较短时,部分团聚的大颗粒快速沉降至样品池底部,不在激光束的测量范围内,导致测量值变小;随超声时间延长,这部分大颗粒逐渐上浮至溶液中,使测量值变大;超声时间进一步延长,这部分大颗粒的团聚状态被打开,呈小颗粒,测量值随之变小,更接近颗粒的真实粒径。


c分散剂加入量对粒度测量的影响

向固含量1.25g/kg的氮化硅悬浊液中加入1,2,3,45g/L分散剂,氮化硅粉的粒度分布见表3,分散剂含量对粒度测量的影响如图4所示。由图可以看出,中位径d50基本保持不变的分散剂含量为大于3g/L,分散剂含量小于3g/L时,粒度分布宽度差异较大。

4分散剂含量对粒度测量的影响


原因分析:六偏磷酸钠在水中可电离出PO3-基团,吸附在氮化硅表面,形成带有相同电荷的电子层,阻碍氮化硅颗粒团聚。当颗粒表面吸附的PO3-不足时,颗粒间的范德华力和静电引力占主导地位,颗粒发生团聚,呈较大颗粒。当氮化硅粉表面吸附足够多的PO3-时,再增加六偏磷酸钠的量,对颗粒粒度将不再有明显影响。


d沉降时间对粒度测量的影响

激光粒度仪在测量悬浊液中的固体颗粒粒度时,颗粒需处于稳定状态,因此超声后沉降时间对粒度测量结果有影响。本实验考察了沉降时间对粒度测量的影响,结果如下图所示。从图中可以看出,随沉降时间延长,颗粒粒径逐渐减小,这是因为粒径为1-2μm的较大颗粒超声结束后迅速沉积到样品池底部,不在激光检测范围内。

5 沉降时间对粒度测量的影响


借助电镜辅助测试,超声0.5h内测量的粒度与电镜观察结果基本一致。因此,在超声结束后0.5h内对微米级氮化硅粉体粒度测试,结果较可靠。


e粒度测量的可重复性

为验证激光粒度仪对氮化硅粉粒度分布检测的可重复性,在最佳测试条件(固含量1.25g/kg、超声分散时间60min、分散剂用量3g/L、沉降时间0.5h)下重复测量5次,结果见下表,从测试数据看出在本实验条件下采用激光粒度仪测试的氮化硅粉体粒度测量具有较好的重复性。


三、实验结果

以硅粉和氯化铵为原料、α相氮化硅为稀释剂,在高压氮气环境下通过燃烧合成法制备了氮化硅粉体,以中粒度d50和粒度分布宽度d90-d10作为粒度分布评价标准,考察了固含量、超声分散时间、分散剂用量及沉降时间对粒度测定的影响,在本实验条件下得到如下结论:


1、分散方式和分散条件对用激光粒度测量燃烧合成的氮化硅粉体粒度的结果有较大影响,在非充分分散条件下,激光粒度仪的测量结果与真实粒径间有较大偏差。


2、用激光粒度仪测量燃烧合成的氮化硅粉粒度的最佳条件为固含量1.25g/kg、超声时间不低于60min、分散剂用量3g/L,超声结束后0.5h内测定。


3、在最佳条件下测得燃烧合成的氮化硅粉的平均粒度为1635.6nm,且具有较好的可重复性。


参考文献

1、用激光粒度仪测量燃烧合成的氮化硅粉体粒度的条件,刘鹏飞,程路伟,许宝松,李梦醒,韩召,安徽工业大学冶金工程学院;韩召,安徽工业大学冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室


编辑:粉体圈 小白

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