一种氮化物粉体的制备方法与流程

：
1.本发明涉及导热无机粉体技术领域，具体涉及一种氮化物粉体的制备方法。


背景技术：

2.氮元素具有较高的电负性，能够与许多电负性比其低的元素形成一系列氮化物。氮化物粉体广泛应用于切削加工材料、高温结构材料、发光材料、电极材料、催化材料、超导材料、吸波材料、吸附材料等领域。其中，氮化铝因具有良好的化学稳定性和热稳定性、高的热导率(理论值320w/mk)、高的机械强度、热膨胀系数与硅接近、易与其他半导体材料兼容、极低的绝缘性等优点，在电子元器件，光学器件的散热领域具有重要的应用。
3.目前，氮化铝粉末的合成方法主要有：(1)直接氮化法；(2)al2o3碳热还原法；(3)高温自蔓延法；(4)气溶胶法；(5)等离子体合成法。其中，al2o3碳热还原法已经实现工业化生产。但由于在氮化过程中，表面产生的氮化层阻碍氮气由外向内穿透界面，使得氮气与铝元素反应较为困难，因此反应时间较长、氮化温度较高。
4.经检索，申请号201910488968.6的中国专利公布了一种制备高纯度氮化铝粉体的方法，该方法利用氧化铝与不同粒径的碳粉进行混合后，在氮气气氛中进行氮化铝的高温焙烧制备，通过增大粉末之间的间隙，促进氮气与氧化铝的接触，但这种改进方法仍无法避免氮化层的阻碍，耗时仍然较长，需要8
‑
15小时。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮化物粉体的制备方法，该方法的制备温度低、耗时少，并且得到的氮化铝粉体纯度高。
6.本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
7.一种氮化物粉体的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)前驱体制备：将溶胶与水性含氮树脂均匀混合，再将所得混合液置于烘箱内加热固化，固化后所得混合物经球磨粉碎，得到混合粉料；然后将混合粉料置于高温石墨炉内，在流动的氮气氛围中进行氮化处理；
9.(2)脱碳处理：将步骤(1)所得氮化产物置于空气氛围中进行脱碳处理，得到氮化物粉体。
10.所述溶胶与水性含氮树脂中所含的固体成分质量比为1:(8
‑
45)。
11.所述溶胶为含铝溶胶、含硅溶胶中的一种或者两种的混合物。
12.所述含铝溶胶包括但不限于铝溶胶、氢氧化铝溶胶中的至少一种。
13.优选地，所述含铝溶胶为铝溶胶。
14.所述含硅溶胶为硅溶胶。
15.所述水性含氮树脂包括但不限于水性聚氨酯、水性脲醛树脂、水性三聚氰胺树脂中的至少一种。
16.优选地，所述水性含氮树脂为水性聚氨酯。
17.优选地，所述水性聚氨酯为阴离子型水性聚氨酯。当水性含氮树脂的表面电荷与溶胶的表面电荷相反时，可与阳离子型的溶胶实现分子层面的相互作用。
18.所述加热固化的温度为100～300℃。
19.所述氮化处理的氮气流速为1～5l/min，氮化温度为1400～1600℃，氮化时长为1～4h。
20.所述脱碳处理的脱碳温度为500～600℃，脱碳时长为1～4h。
21.本发明的有益效果是：
22.1、本发明利用含氮树脂与铝溶胶或者硅溶胶形成分子间的相互接触，氮元素可以直接与铝元素或者硅元素实现接触反应，提高氮化铝或者氮化硅的生成速率，缩短反应时间，制得氮化硅粉体或者氮化硅粉体或者两者的复合粉体。
23.2、本发明能够实现缩短反应时间的另一原因可能是内部反应产生的气体膨胀，能够破坏氮化层的致密性，使外部氮气能够快速与铝元素或者硅元素反应，得到的氮化铝或者氮化硅纯度高。
24.3、本发明采用含有相反电荷的物质混合，接触更紧密，有利于提高氮化率、缩短氮化反应时间。
附图说明：
25.图1为实施例1产物的xrd分析结果；
26.图2为实施例2产物的xrd分析结果；
27.图3为实施例3产物的xrd分析结果；
28.图4为实施例4产物的xrd分析结果；
29.图5为实施例5产物的xrd分析结果；
30.图6为实施例6产物的xrd分析结果；
31.图7为实施例7产物的xrd分析结果；
32.图8为实施例8产物的xrd分析结果；
33.图9为实施例9产物的xrd分析结果；
34.图10为实施例10产物的xrd分析结果；
35.图11为实施例11产物的xrd分析结果。
具体实施方式：
36.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示和实施例，进一步阐述本发明。
37.铝溶胶：纯度99.95％以上，胶粒粒径100nm，固含量20％。
38.硅溶胶：纯度99.95％以上，胶粒粒径20nm，固含量20％。
39.阴离子型水性聚氨酯：粘度50mpa
·
s，固含量35％。
40.阳离子型水性聚氨酯：粘度50mpa
·
s，固含量35％。
41.水性脲醛树脂：粘度60mpa
·
s，固含量60％。
42.水性三聚氰胺树脂：粘度60mpa
·
s，固含量60％。
43.实施例1
44.(1)铝溶胶10g，阴离子型水性聚氨酯250g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温4h。
45.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
46.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化铝产物。经氮氧分析仪测试，氮化铝氧含量为0.6％。
47.实施例2
48.(1)铝溶胶10g，阴离子型水性聚氨酯200g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度200℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温3h。
49.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
50.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化铝产物。经氮氧分析仪测试，氮化铝中氧含量为0.7％。
51.实施例3
52.(1)铝溶胶10g，阴离子型水性聚氨酯180g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度200℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速3l/min。高温石墨炉升温，5h由室温升至1500℃，在1500℃进行保温，保温2h。
53.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
54.产物氮化铝粉体经xrd分析可知产物无其他物相衍射峰，为纯氮化铝产物。经测试，氮化铝氧含量为0.8％。
55.实施例4
56.(1)将铝溶胶10g，阴离子型水性聚氨酯250g，混合均匀，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氩气，以排尽炉内空气，氩气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温4h。
57.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
58.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，在氮化处理时通入氩气代替氮气，产物含有氮化铝信号，说明聚氨酯参与了氮化反应。
59.实施例5
60.(1)铝溶胶10g于250℃环境中脱水，获得固体铝化合物2g。阴离子型水性聚氨酯250g于250℃环境中脱水，获得固体聚氨酯化合物87.5g。将2g固体铝化合物与87.5g固体聚氨酯化合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温4h。
61.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
62.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，产物未能完全转换为氮化铝，存在部分氧化铝杂
质。经氮氧分析仪测试，氮化铝中氧含量为8.1％。说明固固混合的方式不及液相混合效果好，导致氮化反应后氮化铝中氧含量高。
63.实施例6
64.(1)铝溶胶10g，阳离子型水性聚氨酯250g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温4h。
65.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长3h。
66.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，产物未能完全转化为氮化铝，存在部分氧化铝杂质。经氮氧分析仪测试，氮化铝氧含量为0.6％。说明氮化铝制备中，阴离子型水性聚氨酯优于阳离子型水性聚氨酯。
67.实施例7
68.(1)铝溶胶10g，水性脲醛树脂90g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温4h。
69.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
70.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化铝产物。经氮氧分析仪测试，氮化铝氧含量为1.2％。
71.实施例8
72.(1)铝溶胶10g，水性三聚氰胺树脂90g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5.5h由室温升至1600℃，在1600℃进行保温，保温4h。
73.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
74.产物氮化铝粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化铝产物。经氮氧分析仪测试，氮化铝氧含量为1.4％。
75.实施例9
76.(1)硅溶胶10g，阴离子型水性聚氨酯250g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5h由室温升至1500℃，在1500℃进行保温，保温4h。
77.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
78.产物氮化硅粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化硅产物。经氮氧分析仪测试，氮化硅氧含量为1.6％。
79.实施例10
80.(1)硅溶胶10g，水性脲醛树脂90g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，
5h由室温升至1500℃，在1500℃进行保温，保温4h。
81.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
82.产物氮化硅粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化硅产物。经氮氧分析仪测试，氮化硅氧含量为1.7％。
83.实施例11
84.(1)硅溶胶10g，水性三聚氰胺树脂90g，均匀混合，形成均一混合液。将混合液置于烘箱内加热固化，固化温度250℃。固化后混合物经球磨粉碎，得到均一混合粉料，并置于高温石墨炉中。高温石墨炉内通入流动氮气，以排尽炉内空气，氮气流速4l/min。高温石墨炉升温，5h由室温升至1500℃，在1500℃进行保温，保温4h。
85.(2)氮化产物于空气环境中，600℃下进行脱碳处理，脱碳时长2h。
86.产物氮化硅粉体经xrd分析可知，产物无其他物相衍射峰，为纯氮化硅产物。经氮氧分析仪测试，氮化硅氧含量为1.9％。
87.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。