專利名稱：一種制備α-Si3N4晶須的方法
技術領域：
本發明屬于材料工程領域，特別涉及一種制備陶瓷晶須的方法。
單晶陶瓷晶須由于其優良的強度、彈性模量等力學性能以及獨特的物理性能，而在各種類型的復合材料(金屬基，陶瓷基，樹脂基等)中得到廣泛應用。在各種晶須中又以碳化硅與氮化硅的應用范圍及前景最為廣闊。氮化硅晶須雖然在強度與模量方面不如碳化硅，但它卻具有較低的熱膨張系數與導熱性及較高的介電常數與電阻率等優點。因而在許多場合的應用優于碳化硅晶須，故而近年來受到廣泛重視。
文獻(1-12)報道了幾種制備氮化硅晶須的方法。文獻1(日本專利JP0427600[9227600])以通過水玻璃和碳氫化合物制得的氧化硅-碳混合物為原料，且需一種特殊金屬催化劑；文獻2(WANG，Ming Jong and WADA，Harue“Synthesis andcharaterization of silicon nitride whiskers”，J.Mater.Sci.，25(1990)，1690—1698)提到的方法需保持一定分壓的氧氣，且所得產物為佩塔-氮化硅晶須；文獻3(加拿大專利CA2000457)以氧化硅與氮化硅晶須混合物為原料，且需氨與碳-氫化合物形成的混合氣體和過渡族金屬催化劑；文獻4(日本專利JP0251499[9051499])需先將硅或二氧化硅粉末與金屬粉末混合燒結，然后再在氮氣-百分之五體積分數氫氣的氣氛下，并添加鐵粉進一步加熱分解；文獻5(日本專利JP0274598[9074598])則以二氧化硅與鐵，鎳，鉻，鈷等的混合物為原料，仍需在碳-氫化合物與氨的混合氣氛下反應；文獻6(日本專利JP0234598[9034598])介紹了一種以硅的鹵化物和氨為原料，以氣相沉積方法制備氮化硅晶須的方法；文獻7(日本專利JP01301594[89301594])介紹了一種以二氧化硅、碳及氟化物為原料制備氮化硅晶須的方法；文獻8(日本專利JP01301595[89301595]與文獻9(日本專利JP013001596[89301596])所介紹的方法均需以金屬為催化劑；文獻10(日本專利JP01179800[89179800])介紹了一種以稻殼為原料的方法，但工藝比較復雜；文獻11(日本專利JP01278500[89278500])與文獻12(中國專利CN1056908A)則介紹了制備佩塔-氮化硅晶須的方法；文獻11的方法需將二氧化硅粉在氨與碳氫氣氛中預燒成非晶氮化硅，然后在金屬鹵化物環境下加熱反應而成；文獻12則需將硅的非晶氧化物與碳粉預先按一定比例混合燒結，且需通入適量的氬氣控制反應速度。
本發明的目的是提供一種制備阿耳法-氮化硅晶須的方法。由該方法制備阿耳法-氮化硅晶須不需要特殊金屬催化劑，生產工藝過程簡單，適合于批量生產。
本發明以粒度小于0.5毫米的單一氧化硅粉末為原料，或以粉狀直接均勻鋪設于石墨容器(本發明所稱容器均包括任何形狀的能放置并保存固態物質的物體)內，或經冷壓成胚體后放入石墨容器內，或與水混合成漿料后涂附于在1600℃不發生化學分解的襯板上再放入石墨容器內，無需任何添加劑，也無需除氮氣以外的任何其他氣體，只需在石墨容器內通以0.1MPa～200MPa壓力的氮氣，在1200℃～1600℃之間保溫0.5小時～5.0小時即可獲得晶體結構完整，表面質量優良，長度為10μm～1000μm，直徑為0.5μm～5.0μm的單晶阿耳法-氮化硅晶須。在透射電子顯微鏡下的典型形貌如附圖1所示。
本發明
圖1是按本發明實施例一所獲得的阿耳法-氮化硅晶須的透射電子顯微鏡照片。
與前述各種方法比較，已有的制備氮化硅晶須方法雖然均以含硅化合物為原料，但要么需與一定比例碳粉混合，要么需加一定的催化劑，或需除氮氣以外的其他氣體來控制反應速度。本方法則不需除氧化硅以外的其他原材料，而且一次反應完成，具有明顯的原材料單一、工藝方法簡單等優點，不需要任何有可能造成污染的氣體，適合于批量生產。
以下給出本發明二個實施例實施例一將-100目的氧化硅粉與水混合成漿料后涂于在1600℃以下不發生分解的襯板(如氧化鋁等)上，烘干或自然干燥后置于石墨容器內，通以0.7MPa壓力氮氣(99.90％)在1500℃反應二小時。以上述工藝制得的晶須經X-射線及透射電鏡測試確定為單晶阿耳法-氮化硅晶須，平均長度90μm，平均直徑1.5μm，其透射電鏡形貌如圖1所示。經差熱分析在1250℃時未發生明顯氧化。(雖然本實施例提及氮氣純度為99.90％，但這一純度要求對于本發明的實施并非是必需的條件。)實施例二以與實施例一相同的原材料，經冷壓成胚體后置于與實施例一相同的石墨容器內，在150MPa壓力氮氣，1450℃下反應1.5小時。在胚體表面所得制品為單晶阿耳法-氮化硅晶須，平均長度80μm，平均直徑1.7μm。
權利要求
1.一種制備阿耳法-氮化硅晶須的方法，其特征是以單一的氧化硅粉末為原料，在石墨容器內通以一定壓力的氮氣，在一定溫度下反應一定時間。
2.按照權利要求1所述的制備阿耳法-氮化硅晶須的方法，氧化硅粉末的粒度為小于0.5mm。
3.按照權利要求1所述的制備阿耳法-氮化硅晶須的方法，氮氣的壓力范圍為0.1MPa～200MPa。
4.按照權利要求1所述的制備阿耳法-氮化硅晶須的方法，反應溫度為1200℃～1600℃。
5.按照權利要求1所述的制備阿耳法-氮化硅晶須的方法，反應時間為0.5小時～5.0小時。
6.按照權利要求1～5所述的制備阿耳法-氮化硅晶須的方法，所得制品為長度10μm～1000μm，直徑0.5μm～5.0μm的阿耳法晶型單晶氮化硅晶須。
全文摘要
本發明涉及一種制備氮化硅(阿耳法-氮化硅)晶須的方法，采用適當粒度的氧化硅粉末為原材料，在一定壓力的氮氣氛下，在石墨容器內經1200℃～1600℃之間直接反應生成晶體結構完整的，表面質量優良的單晶阿耳法-氮化硅晶須。所得制品可應用于各種復合材料的增強、增韌，以及特殊用途的功能材料。
文檔編號C04B35/584GK1134404SQ9511133
公開日1996年10月30日 申請日期1995年4月25日 優先權日1995年4月25日
發明者朱德貴, 楊柳, 張發建 申請人:西南交通大學