專利名稱：納米Fe或Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>包覆Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>顆粒的復(fù)合粉末及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米Fe或Fe203包覆Si3N4顆粒的復(fù)合粉末及其 制備方法。
背景技術(shù)：
金屬陶瓷作為一種金屬或陶瓷復(fù)合材料既具有陶瓷材料的高強 度、高硬度又具有金屬材料的韌性、可加工性等優(yōu)點，成為目前材料 改性的一個主要有效方式。近年來,復(fù)合型(尤其是核殼式)納米材料的 技術(shù)興起，為金屬陶瓷的發(fā)展開辟了全新的道路。將金屬與陶瓷在納 米尺度上以某種方式結(jié)合在一起而構(gòu)成的復(fù)合粒子，不僅能有效地提 高材料的性能,而且往往會產(chǎn)生許多新的優(yōu)異特性,如提高納米粒子的 穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)其光學(xué)性能、磁學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能以及表面 活性和敏感特性，使其滿足多種特殊需求，具有較高的應(yīng)用價值。金屬相與陶瓷相本身的性能對金屬陶瓷性能起著決定性作用。 Si3N4作為一種高溫陶瓷，在高溫領(lǐng)域較其它高溫陶瓷有著不可比擬 的均衡優(yōu)勢，與之相比，氧化鋁陶瓷耐熱沖擊差，強度低；氧化鋯陶 瓷高溫強度低，硬度低；碳化硅陶瓷的抗彎強度只達到氮化硅陶瓷的 一半。金屬Fe與其它金屬相比具有中等熔點與很好的強度和韌性， 與陶瓷復(fù)合，能有效地改善陶瓷的韌性，并能承受一定的高溫。采用 納米技術(shù)，將納米Fe與Si3N4復(fù)合制備金屬陶瓷目前卻鮮有人研究， 但其應(yīng)用前景極為廣闊與誘人。其制備的Fe或SbN4金屬陶瓷具有模 量高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、密度低、機械強度高、硬度大、耐磨、 耐高溫、耐腐蝕等特點，可用來制造要求一定韌性的高強度、耐磨損、 耐高溫等部件，在國防軍工、航空航天、醫(yī)療、汽車發(fā)動機、電子元 件等領(lǐng)域具有廣泛的用途。此外，納米Fe或Fe203具有優(yōu)良的磁性，將其與非磁性的絕緣Si3N4陶瓷基體復(fù)合兼具備了納米材料、磁性材料、陶瓷材料多重性能，使他們在磁介質(zhì)、抗腐蝕材料、抗氧化材料、 高溫磁性材料、高溫吸波材料等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于采用納米或微米技術(shù)，在Si3N4顆粒表面均勻包覆上一層納米Fe或Fe203薄層，并使復(fù)合顆粒中的Fe或Fe203與SigN4配比，納米Fe或Fe203包覆薄層厚度及包覆形態(tài)具有可控性，F(xiàn)e或Fe203為Si3N4重量百分比的1%-90%。 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的方案是 選用SisN4粉末，顆粒大小控制在10nm-20um之間； 使用分散劑如有機胺及其鹽、表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、聚合物等，加入范圍控制在溶質(zhì)量質(zhì)量百分含量0.01-10%范圍內(nèi),超聲波與攪拌，獲得分散良好的Si3N4懸浮液。控制鐵鹽溶液與堿溶液加入速度、溶液的最終PH值控制在6— 12，使得鐵鹽與堿溶液充分均勻的反應(yīng)，生成的鐵氧化合物最終能均 勻包覆在Si3N4顆粒表面。二價或三價的鐵鹽為鐵的氯化物、硫酸鹽、 摩爾鹽或草酸鹽;堿鹽為Na2C03、 NaHC03、 NH3.H20、 NH3HC03、 NaOH、 KOH、 kHCO^K2C03。采用分步包覆法，獲得Fe或Fe203包覆Si3N4顆粒復(fù)合粉末中的 Fe或Fe203質(zhì)量比含量高達90%,并且包覆均勻。將步驟復(fù)合粉末放置鐵容器內(nèi)，高溫?zé)徇€原得到納米Fe包覆 Si3N4顆粒的復(fù)合粉末，還原氣體為H2、 CO、 NH3或其混合氣體，還 原時間為l一9小時，還原溫度在500—100(TC范圍內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果，體現(xiàn)在獲得了制備納米Fe或Fe203包覆Si3N4顆粒的復(fù)合粉末方法，采 用分步包覆法，可獲得Fe或Fe203包覆Si3N4顆粒復(fù)合粉末中的Fe 或Fe203質(zhì)量比含量高達90。/。，并且包覆均勻。
具體實施方式
實施例1:(1) 分別稱取15克lum左右大小片狀a-Si3N4粉末與5ml聚二乙 醇400，置入一升去離子水溶液中；稱取5克FeS04.7H20置入200 毫升去離子水溶液攪拌配制好FeS04溶液；按0.5mol/L配制好的 NaC03水溶液；(2) 攪拌與超聲波震蕩Si3N4水溶液二十分鐘后，將FeS04與Na2C03水溶液緩緩?fù)瑫r滴加入，最終FeS04溶液全部滴加入，NaC03 溶液在溶液PH二8.5時停止滴加，機械攪拌與超聲波震蕩一直持續(xù)到 這個過程結(jié)束后十分鐘；(3) 將沉淀物過濾，清洗反復(fù)三次后烘干；(4) 將烘干的沉淀物在空氣中400'C煅燒2小時，獲得所要求的 8%左右含量納米Fe203包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末。實施例2:(1) 分別稱取15克lum左右大小片狀a -813>^4粉末與5ml聚二 乙醇400，置入一升去離子水溶液中；稱取10克FeS04.7H20置入200 毫升去離子水溶液攪拌配制好FeS04溶液；按0.5mol或L配制好的 NaCCb水溶液；(2) 攪拌與超聲波震蕩Si3N4水溶液二十分鐘后，將FeS04與 Na2C03水溶液緩緩?fù)瑫r加入，最終配制的FeS04溶液全部加入， NaC03溶液在溶液PH-11.5時停止滴加，攪拌與超聲波震蕩一直持 續(xù)到這個過程結(jié)束后十分鐘；(3) 將溶液過濾得到的沉淀物加入去離子水清洗，過濾，反復(fù)三 次后空氣中烘干，將烘干的沉淀物在空氣中90(TC煅燒2小時，獲得 以2.8克納米Fe203包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末；(4) 將上述制得的納米Fe203包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末與5ml聚二 乙醇400置入一升去離子水溶液中；再稱取10克FeS04.7H20置入 200毫升去離子水溶液配制FeSCV溶液；(5) 攪拌與超聲波震蕩上述制得的Fe203包覆SbN4復(fù)合顆粒粉末 溶液二十分鐘后，將FeS04與Na2C03水溶液緩緩?fù)瑫r滴加入，F(xiàn)eS04 溶液全部加入，NaC03溶液在溶液PH二11.5時停止滴加，機械攪拌 與超聲波震蕩一直持續(xù)到這個過程結(jié)束后十分鐘；(6) 將溶液過濾得到的沉淀物加入去離子水清洗，過濾，反復(fù)三 次后空氣中烘干，將烘干的沉淀物在空氣中90(TC煅燒2小時，獲得 以5.6克納米Fe203包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末；(7) 稱取10克FeS04.7H20置入200毫升去離子水溶液配制FeS04 溶液，再按上述步驟再包覆，清洗，烘干，在空氣中900。C煅燒2小時，獲得約8.4克Fe203薄層均勻包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末，如此 反復(fù)，最終獲得84克Fe203薄層包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末，即 約含量為84%左右的Fe203包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末； 實施例3:(1) 分別稱取15克lum左右大小片狀a -5131^4粉末與5ml聚二 乙醇400，置入一升去離子水溶液中；稱取10克FeS04.7H20置入200 毫升去離子水溶液攪拌配制好FeSCV溶液；按0.5mol或L配制好的 NaCCb水溶液；(2) 攪拌與超聲波震蕩Si3N4水溶液二十分鐘后，將FeS04與 Na2C03水溶液緩緩?fù)瑫r加入，最終配制的FeS04溶液全部加入， NaC03溶液在溶液PH二9.2時停止滴加，攪拌與超聲波震蕩一直持續(xù) 到這個過程結(jié)束后十分鐘；(3) 將溶液過濾得到的沉淀物加入去離子水清洗，過濾，反復(fù)三 次后空氣中烘干，將烘干的沉淀物在空氣中90(TC煅燒2小時，獲得 以2.8克納米Fe20'3包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末；(4) 將上述制得的納米Fe203包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末與5ml聚二 乙醇400置入一升去離子水溶液中；再稱取10克FeS04.7H20置入 200毫升去離子水溶液配制FeS04溶液；(5) 攪拌與超聲波震蕩上述制得的Fe203包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末 溶液二十分鐘后，將FeS04與Na2C03水溶液緩緩?fù)瑫r滴加入，F(xiàn)eS04 溶液全部加入，NaC03溶液在溶液PH二9.2時停止滴加，機械攪拌與 超聲波震蕩一直持續(xù)到這個過程結(jié)束后十分鐘；(6) 將溶液過濾得到的沉淀物加入去離子水清洗，過濾，反復(fù)三 次后空氣中烘干，將烘干的沉淀物在空氣中90(TC煅燒2小時，獲得 以5.6克納米Fe203包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末；(7) 稱取10克FeS04.7H20置入200毫升去離子水溶液配制 FeS04溶液，按上述步驟再包覆，清洗，烘干，在空氣中40(TC煅燒 2小時，獲得約8.4克Fe203薄層均勻包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末；(8) 將上述制得的Fe203包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末放置鐵容器，推 入氫氣還原爐中還原，其還原工藝為室溫下加熱60min升溫到 500。C，保溫在500。C下保溫 30min ，升溫一小時到850°C，再在850°C下保溫2小時，隨爐降 溫到200'C，將粉推入冷卻區(qū)，室溫充氮排氫后取出。獲得所要求約 6克Fe薄層包覆15克Si3N4復(fù)合顆粒粉末，即約含量為29%左右Fe包覆Si3N4復(fù)合顆粒粉末。
權(quán)利要求
1.納米Fe或Fe2O3包覆Si3N4顆粒的復(fù)合粉末，其特征在于Fe或Fe2O3為Si3N4重量百分比的1％-90％。
2. 一種如權(quán)利要求1所述的納米Fe或Fe2Cb包覆Si3N4顆粒復(fù) 合粉末的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1) 將Si3N4加入溶液中，在超聲及攪拌的條件下，得到分散均 勻的Si3N4顆粒懸浮液；(2) 在超聲及攪拌的條件下，將分散劑加入Si3N4懸浮液中，分 散劑為有機胺、有機胺鹽、表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑 或聚合物，加入量為溶液質(zhì)量的0.01-10%;(3) 配制二價或三價鐵鹽溶液和堿鹽溶液；(4) 在超聲及機械攪拌的條件下，將鐵鹽溶液與堿溶液加入至 步驟(2)配制的懸浮液中，控制溶液的PH值范圍為6—12，獲得鐵氧化合物均勻包覆Si3N4顆粒的復(fù)合顆粒；(5) 將制備的復(fù)合顆粒溶液過濾或高速離心機分離出來，反復(fù) 清洗，過濾，烘干，在空氣中200。C一100(TC范圍內(nèi)煅燒l一10h，獲 得納米薄層Fe2Cb包覆Si3N4顆粒的復(fù)合粉末；(6) 將復(fù)合顆粒加入水溶液中，在超聲及攪拌的條件下，得到 分散均勻的懸浮液，然后按(2) (3) (4) (5)步驟重新包覆，獲得 第二層納米Fe203薄層包覆，此步驟按要求重復(fù)，最終達到包覆層要 求厚度；(7) 將步驟(5)或(6)制的復(fù)合粉末放置鐵容器內(nèi)，高溫?zé)?還原得到納米Fe包覆Si3N4顆粒的復(fù)合粉末。
3. 根據(jù)要求2所述的制備納米Fe或Fe203包覆Si3N4顆粒復(fù)合 粉末的方法，其特征在于所述的Si3N4粉末顆粒大小在10nm-20um 之間。
4. 根據(jù)要求2所述的制備納米Fe或Fe2Cb包覆SbN4顆粒復(fù)合 粉末的方法，其特征在于所述的二價或三價的鐵鹽為鐵的氯化物、硫酸鹽、摩爾鹽或草酸鹽;堿鹽為Na2C03、 NaHC03、 NH3.H20、 NH3HC03、 NaOH、 KOH、 kHCO^K2C03。
5.根據(jù)要求2所述的制備納米Fe或Fe203包覆Si3N4顆粒復(fù)合 粉末的方法，其特征在于步驟(7)所述的還原氣體為H2、 CO、 NH3或其混合氣體，還原時間為1_9小時，還原溫度在500—1000 'C范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米Fe或Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>包覆Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>顆粒的復(fù)合粉末及其制備方法，采用非均相沉淀法將納米鐵氧化合物沉積在Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>顆粒表面，經(jīng)過濾、烘干、煅燒獲得納米Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>包覆Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>復(fù)合顆粒粉末，將此粉末進行熱還原處理獲得納米Fe包覆Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>復(fù)合顆粒粉末。包括制備均勻分散的Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>懸浮液；配制鐵鹽溶液和堿溶液；在攪拌與超聲情況下，將鐵鹽溶液與堿溶液加入Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>的懸浮液中；經(jīng)反復(fù)洗滌，過濾，烘干，然后在空氣中煅燒獲得納米Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>包覆Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>復(fù)合顆粒粉末，經(jīng)熱還原獲得納米Fe包覆Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>顆粒復(fù)合粉末。本發(fā)明復(fù)合粉末中的Fe或Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>質(zhì)量比含量范圍在1％-90％，并且包覆均勻。
文檔編號B22F1/02GK101259532SQ200810030408
公開日2008年9月10日 申請日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月2日
發(fā)明者濤 劉, 成會朝, 田家敏, 范景蓮, 銀銳明, 楊 高 申請人:中南大學(xué)