專利名稱：用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于 產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、方法和組合物。
背景技術(shù)：
氮化硅(Si3N4或SiN)由于其卓越的熱、機(jī)械和化學(xué)特性已經(jīng)成為大量研究的主題。氮化硅很好地適于許多應(yīng)用和環(huán)境，包括腐蝕性和高溫環(huán)境。隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，對產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)作為增強(qiáng)材料和用于電子學(xué)和光電學(xué)的高級應(yīng)用有了新的興趣。氮化硅可以以下列結(jié)晶多晶型物存在:a -Si3N4、β -Si3N4和Y -Si3N4。α相和β相具有由共角SiN4四面體構(gòu)成的六方對稱性。α相和β相由堆疊的Si和N原子的不同層組成。α相由堆疊的AB⑶層組成，其中⑶層相對于AB層沿著晶胞的c軸移動。β相由交替的ABAB層組成。ABCD堆疊在α相的晶胞中引起兩個間隙腔并且在β相中產(chǎn)生與c軸平行的通道。最近發(fā)現(xiàn)Y相的Si3N4由具有立方對稱性的尖晶石型結(jié)構(gòu)組成。兩個硅原子以八面體配位到6個氮原子并且I個硅原子是四面體配位的。在氮常壓和高溫下容易產(chǎn)生α相和β相。這兩個相之間的轉(zhuǎn)化溫度發(fā)生在 1400°C。在轉(zhuǎn)化溫度或高于轉(zhuǎn)化溫度下加熱α相引起向β相的轉(zhuǎn)化。然而，Y相僅能夠在高溫和壓力下形成。因此，β相被認(rèn)為是熱力學(xué)相，而α相和Y相是亞穩(wěn)的。在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)采用了許多技術(shù)來產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)前用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的方法使用昂貴的初級產(chǎn)品、需要高反應(yīng)溫度以促進(jìn)納米結(jié)構(gòu)的生長。利用當(dāng)前方法，難以控制所得到的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的選擇性。本文中公開了用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的系統(tǒng)、方法和組合物。

發(fā)明內(nèi)容
本文中公開了用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、方法和組合物。在至少一個實(shí)施方案中，將碳原料預(yù)加工，與硅原料合并并且在含氮化合物的存在下退火，以產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)。從以下本文中公開的示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述，本公開的前述和其他目的、特征和優(yōu)勢將變得更易于顯見。


僅通過舉例的方式參照附圖描述本申請的實(shí)施方案，其中:圖1圖示了根據(jù)一個實(shí)施方案的用于預(yù)加工碳原料的示例性工藝的流程圖；圖2圖示了根據(jù)一個實(shí)施方案的用于預(yù)加工硅原料的示例性工藝的流程圖；圖3圖示了根據(jù)另一個實(shí)施方案的用于預(yù)加工硅原料的示例性工藝的流程圖；圖4圖示了根據(jù)一個實(shí)施方案的用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的示例性工藝的流程圖；圖5圖示了根據(jù)一個實(shí)施方案所產(chǎn)生的示例性氮化硅納米結(jié)構(gòu)；圖6圖示了根據(jù)另一個實(shí)施方案所產(chǎn)生的示例性氮化硅納米結(jié)構(gòu)；和圖7圖示了根據(jù)另一個實(shí)施方案所產(chǎn)生的示例性氮化硅納米結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式應(yīng)理解，為簡單和清楚說明起見，在認(rèn)為適當(dāng)之處，附圖標(biāo)記可在圖中重復(fù)以表示對應(yīng)的或類似的元件。另外，描述了許多特定細(xì)節(jié)以提供對于本文中描述的示例性實(shí)施方案的徹底理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本文中描述的示例性實(shí)施方案可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)下實(shí)施。在其他例子中，沒有詳細(xì)描述方法、程序和組件以免使本文中描述的實(shí)施方案費(fèi)解。

本文中公開了用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、方法和組合物。示例性的原料可包括碳原料和硅原料。在一個或更多個初級加工步驟之前加工或預(yù)處理碳原料和硅原料。在初級加工步驟中，將合并的和預(yù)加工的碳原料和硅原料在含氮化合物的存在下加熱、反應(yīng)或退火以產(chǎn)生一種或更多種氮化硅納米結(jié)構(gòu)。可以在如以下參照圖1至2描述的半間歇式或連續(xù)工藝中預(yù)處理碳原料和硅原料。碳原料和硅原料可以在同一半間歇式或連續(xù)工藝中單獨(dú)地預(yù)加工或者一起預(yù)加工。碳和硅原料可以進(jìn)行合并并且通過減小粒徑分布或以下參照圖1至2的其他預(yù)加工步驟來預(yù)處理。1.碳原料的預(yù)加工圖1圖示了根據(jù)一個實(shí)施方案的用于預(yù)加工碳原料的示例性工藝的流程圖。碳原料是能夠?yàn)楣I(yè)規(guī)模生產(chǎn)氮化硅納米結(jié)構(gòu)提供可行的長期碳源的原料。碳原料可包括但不限于，褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤、石墨、糖、木材、有機(jī)材料、有機(jī)廢物、一氧化碳?xì)怏w、天然氣、多孔碳、活性炭、浙青、焦炭(char)及其組合。褐煤尤其廉價(jià)并且易于預(yù)處理或預(yù)加工。本文中公開的碳原料可包含具有一定粒徑分布的顆粒?？梢詼p小碳原料的粒徑分布以增強(qiáng)離子交換。在粒徑減小的過程中，碳原料可以是固體形式、粉末形式或漿料形式?？梢酝ㄟ^將碳原料與水或有機(jī)溶劑合并而將碳原料轉(zhuǎn)換成漿料形式。有機(jī)溶劑可包括但不限于，乙醇、吡唆、甲苯、石腦油、己烷、煤油、石蠟族溶劑和其他與碳原料可相容的烴溶劑?？刹捎妙€式破碎機(jī)、錘磨機(jī)、球磨機(jī)、環(huán)磨機(jī)(ring mill)或本領(lǐng)域已知的用于減小固體顆粒尺寸的其他方法來減小碳原料的粒徑分布。在一個示例性實(shí)施方案中，可以使碳原料的粒徑分布減小至小于或等于10mm、優(yōu)選小于或等于5mm、或更優(yōu)選小于或等于3mm的尺寸。在一個示例性實(shí)施方案中，采用環(huán)磨機(jī)通過環(huán)磨來減小碳原料的粒徑分布。在另一個示例性實(shí)施方案中，通過顎式破碎、錘磨、球磨或環(huán)磨小于或等于5分鐘來減小碳原料的粒徑分布。在另一個示例性實(shí)施方案中，通過破碎、錘磨、球磨或環(huán)磨使碳原料的粒徑分布減小至小于或等于Imm的尺寸。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，在使用碳化鎢或鋼環(huán)磨機(jī)進(jìn)行小于或等于5分鐘的連續(xù)環(huán)磨工藝中使碳原料的粒徑分布減小至小于或等于Imm的粒徑分布。碳原料的純化程度可以影響產(chǎn)生的所得氮化硅納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)率、選擇性、純度、電子性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和/或物理性質(zhì)。例如，如下文通常作為結(jié)構(gòu)(I)所示的β-Si3N4表現(xiàn)出提高的熱穩(wěn)定性、耐沖擊性和斷裂韌性。因此，在某些應(yīng)用中，P-Si3N4比a -Si3N4更合意。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括: 預(yù)加工碳原料； 將所述碳原料與硅原料合并以形成經(jīng)合并的原料；以及 在含氮化合物的存在下使所述經(jīng)合并的原料退火以產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中預(yù)加工所述碳原料包括: 減小所述碳原料的粒徑分布； 純化所述碳原料；以及 碳化所述碳原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括將所述碳原料與溶劑合并以形成漿料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所 述的方法，其中所述溶劑選自:水、乙醇、批唆、甲苯、石腦油、己烷、煤油、石蠟族溶劑及其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中純化所述碳原料包括選自除灰、去礦化、溶脹和離子交換中的至少一個純化步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中減小所述碳原料的粒徑分布包括顎式破碎、錘磨、球磨、環(huán)磨或其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中減小所述碳原料的粒徑分布包括使所述碳原料的粒徑分布減小至小于或等于3_。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中減小所述碳原料的粒徑分布包括將所述碳原料顎式破碎、錘磨、球磨或環(huán)磨小于或等于5分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中減小所述碳原料的粒徑分布包括使所述碳原料的粒徑分布減小至小于或等于1mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中離子交換包括使鐵離子結(jié)合至所述碳原料。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中在約70°C的溫度下進(jìn)行離子交換。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中碳化所述碳原料包括在含氮化合物的存在下加熱所述碳原料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中碳化在約500°C的溫度和大氣壓下進(jìn)行I至5小時。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述碳原料為選自以下的至少一種化合物:褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤、石墨、糖、木材、有機(jī)材料、有機(jī)廢物、一氧化碳?xì)怏w、天然氣、多孔碳、活性炭、浙青、焦炭及其組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氮化硅納米結(jié)構(gòu)包含選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅和SiALON中的至少一種化合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括預(yù)加工所述硅原料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中預(yù)加工所述硅原料包括: 減小所述硅原料的粒徑分布； 洗滌所述硅原料；以及 干燥所述硅原料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中減小所述硅原料的粒徑分布包括顎式破碎、錘磨、球磨、環(huán)磨或其組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中減小所述硅原料的粒徑分布包括使所述硅原料的粒徑分布減小至20-60微米。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中減小所述硅原料的粒徑分布包括使所述硅原料的粒徑分布減小至小于或等于10微米。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述硅原料為選自以下的至少一種化合物:高純度微硅粉、砂、灰、微孔二氧化硅、天然硅石、硅藻土、礦質(zhì)硅石、火成二氧化硅、亞毫米二氧化硅、廢硅石及其組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括減小所述經(jīng)合并的原料的粒徑分布。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括通過酸洗所述氮化硅納米結(jié)構(gòu)來純化所述氮化硅結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述氮化硅納米結(jié)構(gòu)包含選自氮化硅、氮氧化硅、碳化硅和SiALON中 的至少一種化合物。
全文摘要
本文中公開了用于產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、方法和組合物。在至少一個實(shí)施方案中，將碳原料預(yù)加工，與硅原料合并以及在含氮化合物的存在下退火以產(chǎn)生氮化硅納米結(jié)構(gòu)。
文檔編號B82Y40/00GK103079994SQ201180037961
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者安東尼·希思科特·克萊門斯, 約翰·斯彭切爾, 默里·麥柯迪, 特羅伊·多爾蒂 申請人:Crl能量有限公司, 維多利亞聯(lián)結(jié)有限公司