燃燒合成氮化硅粉體粒度測試條件及影響因素分析

發布時間 | 2018-05-11 09:42 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 4900

石墨干燥粒度儀氮化硅

導讀：氮化硅粉體有許多合成工藝路線，其中燃燒合成氮化硅粉具有工藝流程簡單、生產周期短、成本低、產品純度高等諸多優點，是當前氮化硅粉制備的主流方法之一。但燃燒合成過程溫度高、反應難以控制，...

氮化硅粉體有許多合成工藝路線，其中燃燒合成氮化硅粉具有工藝流程簡單、生產周期短、成本低、產品純度高等諸多優點，是當前氮化硅粉制備的主流方法之一。但燃燒合成過程溫度高、反應難以控制，導致產物顆粒的形貌不規則、粒度分布較寬；除此之外燃燒合成的氮化硅粉體具有較高的活性，易發生靜電團聚，使得粉體粒度的表征困難極大。

而在氮化硅成型過程中，需將不同粒度的粉體進行精細化級配以獲得高的填充密度。因此，快速、準確地檢測燃燒合成的氮化硅粉的粒度及其分布，對實際生產應用具有重要意義。下文將引用安徽工業大學冶金工程學院的一個研究工作成果為大家簡單總結一下使用激光粒度儀檢測燃燒合成氮化硅粉體粒度過程，影響粒度測量結果的因素及最佳的測量條件，希望能給大家的粒度測試工作帶來一點點幫助。

該究工作結果表明：激光粒度儀可用于檢測燃燒合成的Si₃N₄粉的粒度分布，懸濁液固含量、超聲分散時間、分散劑含量及沉降時間對粒度測量結果影響顯著。在該實驗條件下，水為分散介質時，最佳固含量1.25g/kg、最佳超聲時間60min、最佳分散劑用量3g/kg的條件下，超聲分散后0.5h內進行粒度測量最可靠。下文為詳細的測試過程及分析。

一、實驗材料及測試儀器

1、實驗材料：六偏磷酸鈉[(NaPO₃)₆國藥集團化學試劑]，硅粉(粒度<40μm< span="">，純度≥98%，武漢紐瑞琪)，α相氮化硅(平均粒徑3.8μm，α相含量≥98%，北京興榮源科技)，氯化銨(NH4Cl，國藥集團化學試劑)，高純氮氣(N2，純度99.99%，南京特種氣體廠，離子水。

2、測試儀器：精度0.001g的電子天平，高能振動球磨機，高壓反應釜，超聲清洗儀，數顯攪拌器，電熱鼓風干燥箱，激光粒度測試儀，X射線衍射，冷場發射掃描電子顯微鏡。

二、簡單實驗過程

1、制取測試原料

采用燃燒合成法制備氮化硅粉：按90:5:5的質量比稱取硅粉、氯化銨和稀釋劑α相氮化硅，用高能振動球磨機研磨以充分混合，將球磨好的原料裝入多孔石墨坩堝中，放入高壓反應釜內，先抽真空，再充入高純氮氣，通過預先放置好的鎢絲線圈通電點火引燃硅粉，在氮氣中燃燒反應制得測試原料。

2、性能表征

用XRD分析所制氮化硅粉的相組成，用SEM表征其微觀形貌，用激光粒度儀(測量范圍0.3-6000nm)分析其粒度分布。

三、結果與討論

1、氮化硅粉體的物相分析

下圖1為氮化硅粉的XRD譜，可以看出，氮化硅粉主要由α相氮化硅和β相氮化硅組成，峰強較強，半高寬較窄，表明氮化硅結晶較好，基本無可見的雜峰，未發現游離硅的衍射峰，表明硅粉基本完全被氮化。

圖1 氮化硅粉體的XRD譜

2、粒度分布及影響粒度測試結果的因素

超細粉體在水基溶液中的團聚行為是顆粒間吸附和排斥共同作用的結果，當吸附作用大于排斥作用時表現為團聚。微米級氮化硅粉體的吸附作用力包括顆粒間范德華力、靜電和化學鍵(氫鍵)。超細顆粒表面積較大、表面能高，具有相互吸引以降低表面能的趨勢（容易引起團聚），其中關鍵作用是范德華力。需研究分散條件以達到最好的分散效果，使測量值更準確可靠。

影響粒度測試結果的幾個因素：

a固含量對粒度檢測的影響

下圖為為固含量對氮化硅粉體粒度檢測的影響，從圖中我們可以看出，固含量為0.75~1.25g/kg時，氮化硅粉的d50較穩定；固含量≤0.75g/kg時，氮化硅粉的d50值波動較大；固含量為0.25g/kg時，d50=8167.7nm，嚴重偏離實際粒度。

圖2固含量對粒度測量的影響

原因分析：

較小固含量時：激光粒度儀的檢測激光束經過顆粒表面散射后的散射光強，反映被測顆粒的粒徑，散射光強與顆粒粒徑的6次方成正比，因此大顆粒的散射信號遠大于小顆粒的散射信號。當被測體系中固含量較低時，樣本容量較小，小顆粒的散射信號易被掩蓋，造成測量值不具有統計意義，出現較大偏差。

較大固含量時：固含量≥1.25g/kg時，氮化硅粉的d50值開始逐漸變大，這是因為隨固含量增大，溶液中顆粒間距變小，范德華力和分子力增大，導致顆粒團聚程度加劇。氮化硅粉的d50 值開始逐漸變大，這是因為隨固含量增大，溶液中顆粒間距變小，范德華力和分子力增大，導致顆粒團聚程度加劇。在相同分散方式下，固含量越大，溶液中的顆粒越不易分散，d50越大，甚至無法檢測。

因此檢測所需的固含量為0.75~1.25g/kg。

b超聲分散時間對粒度測量的影響

超聲分散是利用超聲振蕩破壞氮化硅粉的團聚體，超聲空化作用能使液體中的微氣泡迅速成核、生長甚至猛烈崩潰，產生局部高溫、高壓，沖擊固液體系，促進固相在液相中的分散。將固含量為1.25g/kg的氮化硅懸濁液在超聲下分散不同時間，其粒度測量結果如圖3所示。可以看出，隨超聲時間延長，氮化硅粉的d50值呈先增大后減小的趨勢。

圖3 超聲分散時間對粒度測量的影響

原因分析：激光粒度儀的激光束位于樣品中間位置，超聲時間較短時，部分團聚的大顆粒快速沉降至樣品池底部，不在激光束的測量范圍內，導致測量值變小；隨超聲時間延長，這部分大顆粒逐漸上浮至溶液中，使測量值變大；超聲時間進一步延長，這部分大顆粒的團聚狀態被打開，呈小顆粒，測量值隨之變小，更接近顆粒的真實粒徑。

c分散劑加入量對粒度測量的影響

向固含量1.25g/kg的氮化硅懸濁液中加入1,2,3,4和5g/L分散劑，氮化硅粉的粒度分布見表3，分散劑含量對粒度測量的影響如圖4所示。由圖可以看出，中位徑d50基本保持不變的分散劑含量為大于3g/L，分散劑含量小于3g/L時，粒度分布寬度差異較大。

圖4分散劑含量對粒度測量的影響

原因分析：六偏磷酸鈉在水中可電離出PO^3-基團，吸附在氮化硅表面，形成帶有相同電荷的電子層，阻礙氮化硅顆粒團聚。當顆粒表面吸附的PO^3-不足時，顆粒間的范德華力和靜電引力占主導地位，顆粒發生團聚，呈較大顆粒。當氮化硅粉表面吸附足夠多的PO^3-時，再增加六偏磷酸鈉的量，對顆粒粒度將不再有明顯影響。

d沉降時間對粒度測量的影響

激光粒度儀在測量懸濁液中的固體顆粒粒度時，顆粒需處于穩定狀態，因此超聲后沉降時間對粒度測量結果有影響。本實驗考察了沉降時間對粒度測量的影響，結果如下圖所示。從圖中可以看出，隨沉降時間延長，顆粒粒徑逐漸減小，這是因為粒徑為1-2μm的較大顆粒超聲結束后迅速沉積到樣品池底部，不在激光檢測范圍內。