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如何提高氮化硅粉制备的氮化效率?
2023年05月24日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:36
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氮化硅Si3N4)具有高强度、高硬度、耐腐耐磨、抗氧化等优异的性能,被广泛用作电子封装材料、耐火材料、耐腐耐磨零部件、发动机及燃气轮机部件、高速切削工具等。目前,工业上制备氮化硅的方法主要有碳热还原法直接氮化法、燃烧合成法氨解法等。


扩展阅读:

1. 氮化硅粉体的制备与氮化硅陶瓷的应用

2. 如何通过控制工艺制备高性能Si3N4粉体

其中,碳热还原法难以控制产物中SiC的量,燃烧合成法的氮化反应控制难度较大,氨解法制备流程长条件复杂,直接氮化法是大规模生产的主要制备方法,但其存在诸多问题:(1)氮化温度要求高(>1450℃),能源消耗大,增加生产成本;2)由于N2在熔融硅中的扩散非常缓慢,难以实现原料硅的完全氮化;3)在最终产品中形成Si3N4晶须的数量有限。

采用催化氮化法可一定程度上改进以上问题,催化氮化法是将不同形式的催化剂与硅粉混合,一定温度下在氮气/氮氨气氛中催化氮化制备氮化硅,该方法具有以下优势:

1)催化剂的引入可以实现硅粉在较低温度下的完全氮化,并显著缩短氮化时间;

2)改变产物氮化硅的形貌,促进氮化硅晶须的大量生成,进而提高制品的性能;

3)调控产物中α-Si3N4β-Si3N4的含量。

氮化硅的两种晶体结构

因此,近年来催化氮化法制备氮化硅成为国内外研究的热点。

几种催化氮化法的制备方法

1. 以金属单质为催化剂催化氮化制备Si3N4

目前,直接使用金属单质作为催化剂进行硅粉氮化,会加快氮化速率,降低氮化的初始温度。金属单质对Si催化氮化的主要作用为:

1)通过形成低熔点相为硅或氮提供了快速扩散路径,促进硅的氮化和α-Si3N4β-Si3N4的形成,例如FeSixCrxSiy等;

2)金属纳米颗粒具有较高的比表面积,比硅粉颗粒更易吸附N2

3)金属单质向N2分子转移电子,增加了N2分子中的键长,减弱了键强度,在较低温度下解离为N原子,进而加快了Si粉的氮化。

但是,纳米级金属颗粒活性过高,易导致团聚;金属单质粒径过大、活性又较低,导致添加量增加,均影响氮化效率,并且金属单质熔点普遍较低,过多加入会影响制品的高温性能。

2. 以金属氧化物为催化剂催化氮化制备Si3N4

近年来研究表明金属氧化物常作为催化剂,提高Si的氮化效率,主要分为过渡金属氧化物和稀土氧化物两种。

1)过渡金属氧化物作为催化剂

过渡金属氧化物作为催化剂促进Si催化氮化的主要作用是:过渡金属氧化物和过渡金属氮化物的相互转化降低了氮化的初始温度,有效地增强了氮化反应。同时,氮化硅晶须的大量生成,还能有效提高制品的力学性能。但是过渡金属氧化物熔点较低,可能影响制品的高温性能。

2)稀土氧化物作为催化剂

添加过渡金属氧化物容易影响制品的高温性能,稀土氧化物凭借高熔点、化学活性高和氧化还原能力强等特性,也常用于催化氮化制备氮化硅。

研究表明,绝大多数稀土氧化物都能促进Si粉的催化氮化,例如CeO2Eu2O3Y2O3La2O3等,但是要达到较好的催化效果其添加量往往较多,因此考虑到成本昂贵和稀土资源的特殊性,用在实际生产中有待商榷。

总结

以金属/金属氧化物作为催化剂,通过催化氮化工艺制备Si3N4不仅可以降低氮化温度,提高氮化的效率,而且还可以通过工艺参数的调控合成不同形貌、性能优异的氮化硅材料,但该方法仍存在诸多问题:

1)直接采用纳米级催化剂催化氮化硅粉,存在催化剂难以均匀分散、用量大等问题;

2)目前使用的催化剂粒径仍然相对较大,其催化活性较低;

3)催化剂-硅液会在局部形成低熔点相,可能会影响最终样品的高温使用性能;

4)催化剂促进氮化的机制研究不透彻,催化剂除了具有促进氮气分子分解的作用之外,是否还具有其他促进氮化的作用尚不清楚。

鉴于国内外催化氮化制备Si3N4的研究状况,未来催化氮化法制备氮化硅工艺的研究重点应集中在以下几个方面:

1)采用纳米技术,合成均匀分散的高活性金属/金属氧化物纳米颗粒催化硅粉氮化

2)双金属纳米催化剂具有比单金属更高的催化活性,应选择合适的双金属纳米颗粒催化氮化制备氮化硅,进一步减少催化剂用量并提高氮化效率

3)深入研究不同类型催化剂的催化氮化机制以及其调控产物Si3N4粉体物相组成的内在机制。

参考来源:

1. 催化氮化制备氮化硅研究进展,王鑫、王军凯、黄珍霞、孟浩、王一菲、温研科(耐火材料);

2. 氮化温度对直接氮化法制备氮化硅纤维材料显微结构的影响,赵鑫、王刚、韩建燊(耐火材料);

3. 催化氮化制备氮化硅粉体,赵万国、古亚军、李发亮(硅酸盐通报)。


粉体圈小吉

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