CN109775674A - 一种氮化硅镁粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于无机非金属粉体材料制备技术领域的一种氮化硅镁粉体的制备方法。具体以以硅源、镁源为原料，以尿素和/或乙醇为添加剂，在氮气气氛中进行燃烧合成反应，制得氮化硅镁粉体；所述硅源为硅粉、α‑氮化硅粉中的一种或两种；所述镁源为镁粉、氮化镁粉中的一种或两种。本发明制备方法克服了以往直接氮化法制备氮化硅镁工艺存在的生产周期长、能耗高、产物中易出现残余硅等问题；具有设备简单、生产效率高、合成反应迅速、能耗低的优点；制得的产物氮化硅镁粉体结晶性良好、形貌均一，且相含量可控、无其他杂质相、纯度高、杂质总含量＜1wt％，氧含量＜1wt％；无需后续酸洗提纯等步骤，仅需将产物破碎至所需粒度。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属粉体材料制备技术领域，特别涉及一种氮化硅镁粉体的制备方法。
背景技术
氮化硅镁具有抗氧化性高、电子阻抗高、断裂韧度高、应力强度高、硬度高等优异性能，在高速电路、大功率器件散热、封装材料等方面具有潜在应用价值，有望成为代替氮化铝的新一代高热导基片材料，还可用作封装材料和高热导非氧化物陶瓷的烧结助剂等。氮化硅镁的氧含量决定它的热阻值，氧含量越低，热阻值越高；由此，制备低氧含量的氮化硅镁是其应用的重点。但现存的高温氮化法制备氮化硅镁体系的生产周期长、能耗高、产物中易出现残余硅，因此，探索一种绿色、安全的制备高质量氮化硅镁粉体的工艺是一项亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化硅镁粉体的制备方法，具体技术方案如下：
一种氮化硅镁粉体的制备方法为，以硅源、镁源为原料，以尿素和/或乙醇为添加剂，在氮气气氛中进行燃烧合成反应，制得氮化硅镁粉体；
所述硅源为硅粉、α-氮化硅粉中的一种或两种；
所述镁源为镁粉、氮化镁粉中的一种或两种。
所述硅源、镁源经混合、真空干燥、筛分后得到混合粉体，将尿素和/或乙醇添加至混合粉体中均匀混合，在0.5-10MPa氮气气氛中进行燃烧合成反应，反应结束后制得氮化硅镁粉体。
所述镁粉的纯度＞99wt％，粒度100-200目；
所述氮化镁粉的纯度＞99wt％，粒度100-200目；
所述硅粉的纯度＞95wt％，粒度100-200目；
所述α-氮化硅粉的纯度＞95wt％，粒度100-200目；
所述镁源质量为镁源与硅源质量之和的20-80％。
所述硅源、镁源的混合为：以无水乙醇为介质，以氮化硅球或玛瑙球为球磨介质，在行星式球磨机或者滚动式球磨机中球磨1-4小时；所述真空干燥的温度为80℃；所述筛分的目数为50-200目。
所述尿素和/或乙醇与混合粉体的均匀混合为：以氮化硅球或玛瑙球为研磨介质，在滚动式球磨机或高速混料机中进行，混合时间为30s-5min；
或将尿素和/或乙醇均匀喷洒于混合粉体中。
所述尿素和/或乙醇以连续或分次的方式加入混合粉体中，所述尿素和/或乙醇加入量为混合粉体质量的0.5％-20％。
所述硅源、镁源的混合、尿素和/或乙醇与混合粉体的均匀混合温度为0-20℃。
所述的制备方法包括以下步骤：
(1)将硅源、镁源均匀混合后，经真空干燥、筛分，得到混合粉体，以保证后续的松装布料；
(2)将尿素和/或乙醇添加至步骤(1)所得混合粉体中均匀混合，并布料于多孔石墨坩埚或石墨舟中，并置于燃烧合成反应装置内，抽真空后，充入0.5-10MPa氮气，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；反应结束后，释放装置内压力，通循环水冷却，制得氮化硅镁粉体。
所述布料方式优选为松装布料。
所述制备方法制得的氮化硅镁粉体平均粒度1-50um，杂质含量＜1wt％，氧含量＜1wt％；相含量根据添加剂尿素和/或乙醇的含量可调控。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的通过尿素和/或乙醇辅助燃烧合成法制备高纯度氮化硅镁粉体的方法，克服了以往直接氮化法制备氮化硅镁工艺存在的生产周期长、能耗高、产物中易出现残余硅等问题；具有设备简单、生产效率高、合成反应迅速、能耗低的优点；
(2)本发明选择乙醇为添加剂合成高纯度氮化硅镁粉体方法的优势在于：乙醇在高温下挥发为气体，可以有效降低物料堆积密度，有利于获得杂质含量低松散的氮化硅镁粉体。乙醇在高温下挥发，在N2还原性气氛中，分解为高活性的C和H2O；在乙醇喷加量较低时，活性C可以还原原料中的O，产生CO。最终，活性C、CO和H2O基本排除到体系之外，因此体系中的C、O含量维持在较低的水平，并且氧含量随乙醇添加剂比例的增加略有降低；
(3)本发明在混料环节加入无水乙醇，避免了备料环节中粉尘的产生，对环境、操作人员的身体健康起到了明显的保护作用；
(4)本发明提供的制备工艺不使用任何额外添加剂，无有毒物质产生，对环境保护、生产安全十分有利；具有无污染、无毒害、低耗能的优点；
(5)本发明除引发反应过程需要少量能源外，整个合成过程全部依靠反应放热来维持和实现，无需外加能源；
(6)利用本发明制备方法制得的产物氮化硅镁粉体结晶性良好、形貌均一，且相含量可控、无其他杂质相、纯度高、杂质总含量＜1wt％，无需酸洗、提纯等后处理步骤，仅需将产物破碎至所需粒度。
附图说明
附图1为实施例1制备的氮化硅镁粉体产物的XRD分析图谱；
附图2为实施例2制备的氮化硅镁粉体产物的XRD分析图谱；
附图3为实施例3制备的氮化硅镁粉体产物的XRD分析图谱；
附图4为实施例5制备的氮化硅镁粉体产物的XRD分析图谱；
具体实施方式
本发明提供了一种氮化硅镁粉体的制备方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)将200目氮化镁粉、200目硅粉按照质量比20％：80％配料，然后与质量为原料粉末质量0.8倍的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量0.5％的尿素连续加入所述混合粉体中，在滚动式球磨机中均匀混合2min，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行XRD检测，如图1所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜1wt％；对产物进行XRF检测，氧含量＜1wt％。
实施例2
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)按照重量比称取原料，200目氮化镁粉为50％，200目硅粉为50％；与质量为原料粉末质量1.0倍的无水乙醇混合后，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量10％的尿素连续加入所述混合粉体中，在滚动式球磨机中均匀混合4min，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um。将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％。对产物进行XRD检测，如图2所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为95％，杂质总量＜1wt％；对产物进行XRF检测，氧含量＜1wt％。
实施例3
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)按照重量比称取原料，200目氮化镁粉为80％，200目硅粉为20％，与质量为原料粉末质量1.2倍的无水乙醇混合后，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量20％的尿素分次加入所述混合粉体中，在滚动式球磨机中均匀混合50s，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um。将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％。对产物进行XRD检测，如图3所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为60％，杂质总量＜1wt％；对产物进行XRF检测，氧含量＜1wt％。
实施例4
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比20％：10％：70％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量0.5％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行XRD检测，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行XRF检测，氧含量为0.4wt％。
实施例5
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比30％：10％：60％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量0.5％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行XRD检测，如图4所示，分析表明其中氮化硅镁相含量为85％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行XRF检测，氧含量为0.4wt％。
实施例6
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比30％：10％：60％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量5％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为95％；对产物进行XRD检测，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行XRF检测，氧含量为0.2wt％。
实施例7
按照下述步骤制备氮化硅镁粉体：
(1)将200目镁粉、200目硅粉、200目α-氮化硅粉按照质量比30％：10％：60％配料，然后与质量与原料粉末质量相等的无水乙醇混合，以氮化硅球为介质，在行星球磨机上球磨2h，实现均匀混合；随后在80℃下真空干燥，干燥后过50-200目筛，得到混合粉体；
(2)将步骤(1)所得混合粉体质量20％的乙醇连续喷洒加入所述混合粉体中，然后松装于多孔石墨舟中，放置在燃烧合成设备内，抽真空后充入1MPa高纯氮气，使用钛粉为引燃剂，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；燃烧反应结束后释放装置内气体，同时通循环水冷却至40℃以下时，打开腔门，取出反应产物。
上述制得产物呈较为松软的块状，整体呈白色，表面有少量未反应的残余硅粉；平均粒度1-50um；将产物清理、收集、称量、计算后可知，产品回收率为90％；对产物进行XRD检测，分析表明其中氮化硅镁相含量为50％，杂质总量＜0.5wt％；对产物进行XRF检测，氧含量为0.5wt％。
Claims (9)
1.一种氮化硅镁粉体的制备方法，其特征在于，以硅源、镁源为原料，以尿素和/或乙醇为添加剂，在氮气气氛中进行燃烧合成反应，制得氮化硅镁粉体；
所述硅源为硅粉、α-氮化硅粉中的一种或两种；
所述镁源为镁粉、氮化镁粉中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅源、镁源经混合、真空干燥、筛分后得到混合粉体，将尿素和/或乙醇添加至混合粉体中均匀混合，在0.5-10MPa氮气气氛中进行燃烧合成反应，反应结束后制得氮化硅镁粉体。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，
所述镁粉的纯度＞99wt％，粒度100-200目；
所述氮化镁粉的纯度＞99wt％，粒度100-200目；
所述硅粉的纯度＞95wt％，粒度100-200目；
所述α-氮化硅粉的纯度＞95wt％，粒度100-200目；
所述镁源质量为镁源与硅源质量之和的20-80％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述硅源、镁源的混合为：以无水乙醇为介质，以氮化硅球或玛瑙球为球磨介质，在行星式球磨机或者滚动式球磨机中球磨1-4小时；所述真空干燥的温度为80℃；所述筛分的目数为50-200目。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述尿素和/或乙醇与混合粉体的均匀混合为：以氮化硅球或玛瑙球为研磨介质，在滚动式球磨机或高速混料机中进行，混合时间为30s-5min；
或将尿素和/或乙醇均匀喷洒于混合粉体中。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述尿素和/或乙醇以连续或分次的方式加入混合粉体中，所述尿素和/或乙醇加入量为混合粉体质量的0.5％-20％。
7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述硅源、镁源的混合、尿素和/或乙醇与混合粉体的均匀混合温度为0-20℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅源、镁源均匀混合后，经真空干燥、筛分，得到混合粉体；
(2)将尿素和/或乙醇添加至步骤(1)所得混合粉体中均匀混合，并布料于多孔石墨坩埚或石墨舟中，并置于燃烧合成反应装置内，抽真空后，充入0.5-10MPa氮气，以通电钨丝圈加热反应物点燃引燃剂，诱发燃烧合成反应；反应结束后，释放装置内压力，通循环水冷却，制得氮化硅镁粉体。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硅镁粉体平均粒度1-50um，杂质含量＜1wt％，氧含量＜1wt％。
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