專利名稱:用自蔓延燃燒合成制備高純超細(xì)β-SiC粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域,提供了一種用自蔓延燃
燒合成制備高純超細(xì)P-SiC粉體的方法,該方法簡單高效。
背景技術(shù):
碳化硅是一種先進(jìn)陶瓷材料,具有抗氧化能力強(qiáng)、耐磨損性好、熱 穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高以及抗熱震和耐化學(xué)腐蝕
等優(yōu)良性能。P-SiC相對(duì)a -SiC而言具有更好的燒結(jié)性能和半導(dǎo)體性能, 表現(xiàn)出更加優(yōu)良的使用性能。高純度、小粒徑是高性能陶瓷粉體的基本 要求。目前制備超細(xì)々-SiC的生產(chǎn)主要采用Acheson法,存在的問題是 反應(yīng)時(shí)間長(一般達(dá)幾十小時(shí))、需要酸洗除雜等后續(xù)工藝,制備周期長, 生產(chǎn)過程復(fù)雜、成本較高。探索高效節(jié)能的低成本制備工藝一直是近年 來的研究熱點(diǎn)。
自蔓延燃燒合成(SHS)是利用反應(yīng)自身放熱合成材料的先進(jìn)制備 技術(shù),反應(yīng)混合物被點(diǎn)燃后,形成自行蔓延的燃燒波,燃燒波快速向未 反應(yīng)區(qū)域傳播,燃燒波過后,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物;反應(yīng)過程不需外界提 供能量,是一項(xiàng)節(jié)能工藝;反應(yīng)速度快、效率高;燃燒波的高溫能使揮 發(fā)性雜質(zhì)有效分解,產(chǎn)物純度高;設(shè)備簡單、成本低廉。這一系列優(yōu)勢(shì)使 SHS在制備陶瓷粉體、金屬間化合物和復(fù)合材料等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 目前尚沒有用SHS制備高純P-SiC的專利,但是有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,如王 鐵軍等(王鐵軍,王聲宏.預(yù)熱SHS制備SiC粉末的機(jī)理及工藝.粉末冶 金技術(shù),1997, 15(2): 106~110;王鐵軍,王聲宏.預(yù)熱SHS法制備卩-SiC 微粉的研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),1997, 9 (supply): 26-31.)用預(yù)熱自蔓燃方 法制備了 SiC,但預(yù)熱使設(shè)備的復(fù)雜程度增加。Nersisyan等人(G.A. Nersisyan, V.N. Nikogosov, S.L. Kharatyan, A.G. Merzhanov, Combust. Expl. Shock Waves, 1991, 7 : 720)用燃燒合成方法在氬氣氣氛中制備了 細(xì)的碳化硅,反應(yīng)混合物中添加18wt。/。的聚四氟乙烯作為化學(xué)促進(jìn)齊lj。 Zhang等(J. Zhang, J.C. Jeong, J.H. Lee, C.W. Won, D丄Kim, C.O. Kim, The effect of carbon sources and activative additive on the formation of SiC powder in combustion reaction. Mater Res Bull, 2002, 37: 319—329.)用聚四
氟乙烯和鎂粉混合作為添加劑,將Si, C及其添加劑混合球磨干燥后壓
成±央,用SHS方法制備了A-SiC,其中聚四氟乙烯的添加量高達(dá)25%, 并且殘留有MgO,需要酸洗才能祛除殘留物。C. C. Chen等人 (Chien畫Chong Chen, Chia-Ling Li, Keng-Yuan Liao, A cost-effective process fro large-scale production of submicron SiC by combustion synthesis, Materials Chemistry and Physics, 2002, 73, 198-205)把原料粉體壓制程 120mmX 120mmX60mra的圓柱體進(jìn)行燃燒合成制備a -SiC和^-SiC的復(fù) 合粉體。目前尚未見到在大尺寸反應(yīng)器(容積達(dá)到60立升、單批物料中 5kg、粉體原料布料)進(jìn)行燃燒合成制備高純、超細(xì)^-SiC粉體的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用自蔓延燃燒合成制備高純超細(xì)P~SiC 粉體的方法,實(shí)現(xiàn)了粉狀原料布料而不是塊體原料布料,簡化了制備工 藝;降低了添加劑的使用量,降低了成本;首次用SHS工藝在大尺寸反 應(yīng)器內(nèi)制備出了高性能的"-SiC粉體。 本發(fā)明的具體工藝為
將硅粉,碳黑(或活性炭)以一定摩爾比混合,再加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚 四氟乙烯。C/Si的摩爾比的范圍在0.3 2 ,聚四氟乙烯添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范 圍在2% 25%;將反應(yīng)混合物球磨10 15h,在空氣烘干箱中70 150°C 烘干;將干燥后的混合粉體置于5立升到60立升的反應(yīng)釜中,充入0.5 S MPa 壓力的氮?dú)?,把鈦粉預(yù)先置于反應(yīng)混合物端部作為點(diǎn)火劑,鈦粉用量要蓋住 鴿絲,用鉤絲通電點(diǎn)燃鈦粉,引發(fā)反應(yīng)混合物的燃燒反應(yīng),得到產(chǎn)物。 本發(fā)明的原料混合物是以粉體狀布料,不需要壓制成塊體。 本發(fā)明所述聚四氟乙烯為添加劑,為反應(yīng)提供最原始的熱量。鎢絲 通電將反應(yīng)釜的一端鈦粉點(diǎn)燃,引起反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)一經(jīng)點(diǎn)燃后, 不需要外加熱源,反應(yīng)放出的熱量能繼續(xù)向未反應(yīng)區(qū)傳播以維持反應(yīng), 使整個(gè)反應(yīng)順利完成。
以上述內(nèi)容為基礎(chǔ),在不脫離本發(fā)明基本技術(shù)思想的前提下,根據(jù) 本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和手段,對(duì)其內(nèi)容還可以有多種形式的修改、替 換或變更,如反應(yīng)釜的體積可以繼續(xù)增大。
本發(fā)明采用燃燒合成的方法制備高純々-SiC。 SHS是一種靠反應(yīng)自身 放出的熱量維持反應(yīng)進(jìn)行、不需要外界持續(xù)加熱或保溫的一種合成方法。 當(dāng)反應(yīng)一經(jīng)點(diǎn)燃,靠自身放熱形成熱波,熱波自行傳播通過整個(gè)反應(yīng)器, 從而把反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。這種工藝最大的特點(diǎn)是燃燒合成能依靠自身 放熱維持整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行, 一旦在反應(yīng)釜的一端點(diǎn)燃,熱波能夠向未反應(yīng)
區(qū)進(jìn)行傳遞;反應(yīng)僅在熱波區(qū)域發(fā)生,熱波宋傳播到的區(qū)域仍然是低溫 反應(yīng)物;這一特征使得體系溫度易于控制,可以得到細(xì)顆粒、高活性粉 體;同時(shí)反應(yīng)過程不需要持續(xù)加熱,反應(yīng)速度快,是一項(xiàng)高效節(jié)能技術(shù); 這是本專利與上述已公開專利的本質(zhì)區(qū)別。
同時(shí),本發(fā)明與已公開的文獻(xiàn)中用自蔓延燃燒合成(SHS)制備高純 超細(xì)^-SiC的區(qū)別是第一,本發(fā)明直接用粉狀原料進(jìn)行燃燒合成反應(yīng), 而前人己公開的論文中均是將原料粉體壓制成塊體再進(jìn)行燃燒合成。直 接用粉體原料布料,不僅簡化了制備工藝,并且有效控制了反應(yīng)放熱, 避免了反應(yīng)溫度過高導(dǎo)致的粉體顆粒急劇長大。第二,前人均是在小于 IO立升的小反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行制備反應(yīng),每批粉體的重量小于1公斤。本發(fā) 明首次在中試規(guī)模的60立升大反應(yīng)器內(nèi)用SHS工藝實(shí)現(xiàn)了高純超細(xì)粉體 的制備,每批粉體重量超過5公斤;物相分析表明所得粉體為單純的 》-SiC,無雜相;粉體平均粒度200納米,與小反應(yīng)器內(nèi)制備粉體的粒度 相當(dāng),表明放大制備后產(chǎn)物粉體顆粒沒有長大。這一放大制備的成功表 明,通過用粉狀原料布料的方式可以有效控制反應(yīng)放熱,用自蔓延燃燒 合成工藝規(guī)?;a(chǎn)高純超細(xì)^~SiC是完全有可能的。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例形式的具體實(shí)施方式
,對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容再做進(jìn) 一步的詳細(xì)說明,但不應(yīng)將此理解為下述各實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明上述主題 所涉及范圍的限制,凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明 的范圍。
實(shí)施例1
將碳黑和硅粉配成l: l的摩爾比,然后加2%的聚四氟乙烯,將其混 合,在行星球磨機(jī)中球磨15小時(shí),然后在空氣干燥箱中烘干,將所球磨 后的粉置于10立升的反應(yīng)釜中。充入8MPa氮?dú)?,把少量鈦粉預(yù)先置于 反應(yīng)混合物端部作為點(diǎn)火劑,用鎢絲通電點(diǎn)燃鈦粉,鈦粉一經(jīng)點(diǎn)燃,反 應(yīng)迅速進(jìn)行,直至整個(gè)反應(yīng)釜完全反應(yīng),得到高純度"-SiC。 實(shí)施例2
將活性炭和硅粉配成2: 1的摩爾比,然后加12%的聚四氟乙烯,將 其混合,在行星球磨機(jī)中球磨IO小時(shí),然后在空氣干燥箱中烘干,將所 球磨后的粉置于5立升反應(yīng)釜中。充入0.5MPa氮?dú)?,把少量鈦粉預(yù)先置 于反應(yīng)混合物端部作為點(diǎn)火劑,用鎢絲通電點(diǎn)燃鈦粉,鈦粉一經(jīng)點(diǎn)燃, 反應(yīng)迅速進(jìn)行,直至整個(gè)反應(yīng)釜完全反應(yīng),得到高純度y&"SiC。
實(shí)施例3
將碳黑和硅粉配成0.3: 1的摩爾比,然后加25%的聚四氟乙烯,將 其混合在行星球磨機(jī)中球磨IO小時(shí),然后在空氣干燥箱中烘干,將所球 磨后的粉置于60立升反應(yīng)釜中。抽真空后充入3MPa氮?dú)?,把少量鈦?預(yù)先置于反應(yīng)混合物端部作為點(diǎn)火劑,用鎢絲通電點(diǎn)燃鈦粉,鈦粉一經(jīng) 點(diǎn)燃,反應(yīng)迅速進(jìn)行,直至整個(gè)反應(yīng)釜完全反應(yīng),得到高純度"-SiC。
權(quán)利要求
1一種用自蔓延燃燒合成制備高純超細(xì)β-SiC粉體的方法,其特征在于工藝為a、將硅粉,碳黑或活性炭以C/Si的摩爾比0.3-2混合,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2-25%的聚四氟乙烯;b、以無水乙醇為介質(zhì)球磨10-15小時(shí),在空氣烘干箱中70~150℃烘干;c、將干燥后的混合粉體置于燃燒合成反應(yīng)器中,反應(yīng)器體積為5-60立升;反應(yīng)器抽真空后充入0.5~8MPa的氮?dú)?,把鈦粉預(yù)先置于反應(yīng)混合物端部作為點(diǎn)火劑,鈦粉用量要蓋住鎢絲,用鎢絲通電點(diǎn)燃鈦粉,引發(fā)反應(yīng)混合物的燃燒反應(yīng),得到產(chǎn)物。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于原料混合物是以粉體狀布料o
全文摘要
一種用自蔓延燃燒合成制備高純超細(xì)β-SiC粉體的方法,涉及碳化硅的制備技術(shù)領(lǐng)域。工藝為將硅粉,碳黑或活性炭以C/Si的摩爾比0.3-2混合,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3-25%的聚四氟乙烯;以無水乙醇為介質(zhì)球磨10-15小時(shí),在空氣烘干箱烘干;將干燥后的混合粉體置于燃燒合成反應(yīng)器中,反應(yīng)器體積為5-60立升;反應(yīng)器抽真空后充入0.5~8MPa的氮?dú)?,把鈦粉預(yù)先置于反應(yīng)混合物端部作為點(diǎn)火劑,用鎢絲通電點(diǎn)燃鈦粉,引發(fā)反應(yīng)混合物的燃燒反應(yīng),得到產(chǎn)物。優(yōu)點(diǎn)在于,反應(yīng)僅在熱波區(qū)域發(fā)生,易于實(shí)現(xiàn)控溫,同時(shí)熱波傳播速度快,反應(yīng)效率高,因此可以得到細(xì)顆粒、高活性粉體。本發(fā)明所需要的聚四氟乙烯添加劑含量最低可以達(dá)到2%,反應(yīng)器體積最大可以達(dá)到60立升。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101104516SQ20071012006
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者劉玉瓊, 張利峰, 燕青芝, 葛昌純 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)