氨气氮化二氧化硅-氧化铝凝胶制备β-SiAlON粉末

High purity, no carbon-contaminated β-SiAlON powder was difficult to obtained by the present methods. Here a novel rout of preparation of β-SiAlON by nitridation of silica-alumina gel in ammonia is proposed to solve the problem. In this work, the factors including the property of the alumina and silica precursor sol, and the mixing scale of the oxides in the raw materials will be systematically studied. The thermodynamic and kinetics will be focused. The mechanism of the reduction-nitridation reaction will be proposed based on the experimental results analysis and theoretical thermodynamic calculation of SiO2-Al2O3-NH3 reaction system, which will lay the foundation of mass production and application of β-SiAlON. The feature of β-SiAlON powder prepared by this method is nano-scaled, low aggregation and high purity, which is benefit to be raw material of β-SiAlON nanoceramic as well as rare-earth metals doped phosphors. The brain-new method proposed here shows potential application in other oxynitrides system, not just limited in β-SiAlON. So this project exhibits very important theoretical value and scientific significance, especially in nano powder preparation and phosphor research. And we believe it will accelerate the white lighting emitting diodes industry in our country.

本课题针对现有技术难以获得无碳污染、高纯度β-SiAlON纳米粉末的问题，提出一种将二氧化硅-氧化铝凝胶在氨气中加热，还原氮化制备β-SiAlON的新方法。通过研究先驱体溶胶的性质、铝硅氧化物的混合尺度，对β-SiAlON形成过程相关热力学和动力学进行探讨，结合二氧化硅-氧化铝与氨气反应的热力学计算，以揭示β-SiAlON形成的机理和关键影响因素，为其制备和应用提供理论基础和实验依据。本方法制备的β-SiAlON具有纳米粒径、团聚少和纯度高的特点，可为β-SiAlON纳米陶瓷提供粉体原料，也可作为稀土掺杂荧光粉的基质材料。本项目为β-SiAlON以及其它体系氮氧化物的合成提供了一种崭新的思路，尤其在合成纳米粉体和无碳污染的荧光材料方面，具有非常重要的理论研究价值和科学意义，对加快我国LED产业的发展也具有举足轻重的作用。

β-SiAlON具有优越的力学性能、热学性能和化学稳定性，是具有潜力的高温结构陶瓷和荧光粉体材料。β-SiAlON传统的方法是用氮化物、氧化物为原料，通过高温固相反应合成，但难以获得纯相和控制粒径长大。本项目发展了一种将二氧化硅-氧化铝凝胶在氨气中加热，还原氮化制备β-SiAlON的新方法，系统研究了先驱体硅铝凝胶的性质、Al/Si值对β-SiAlON形成的作用规律，通过氮化参数的调整与凝胶氮化产物的成分、晶相、结构和微观结构等多方面的综合关联分析，结合氧化铝-氧化硅-氨气体系反应的理论热力学计算，阐明了硅铝凝胶-氧化物-氮氧化物的转变机制，提出相应的热力学和动力学模型，获得不同SiAlON粉体的设计准则，并在相对温和条件下（1300~1350℃）得到了高结晶度β-SiAlON纳米粉体。通过氨气氮化，合成了掺杂稀土Eu的氮化铝和氮氧化铝荧光粉，深入研究了氮化条件（温度、时间、氨气流量）、煅烧温度/时间、掺杂浓度等因素对氮（氧）化物荧光粉物相、结构、荧光性能的影响规律，结合微观结构及光谱学分析对其发光机理进行了探索，阐明了其关键控制因素，并提出了提高荧光性能的有效措施。本项目的研究结果，为β-SiAlON纳米陶瓷的制备提供了必需的纳米粉体原料，同时为其他氮（氧）化物化物材料的制备提供了一种新的途径，获得了覆盖氮化铝荧光粉、氮化铝纤维、氮氧化铝荧光粉、硅基氮氧化物粉以及含氮氧化物莫来石纤维的系列技术和产品，在荧光材料、纳米材料、纤维材料等等领域应用具有理论意义和实际应用价值。