一種氮化矽粉體轉相的方法
2023-12-08 08:43:56 1
專利名稱:一種氮化矽粉體轉相的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用等離子體化學氣相法生產無定型氮化矽粉體並將其轉相的設備及工藝，特別涉及一種批量生產轉相獲得高純、超細、高α相氮化矽粉體的方法。
背景技術：
氮化矽陶瓷具有高硬度、強度高、耐磨損、耐高溫，熱膨脹係數小、導熱係數大、抗熱震性好，密度低等一系列優點，在陶瓷發動機、機械加工、微電子學、空間科學和核動力工程等領域，具有極為廣闊的應用前景。相關產品如氮化矽陶瓷刀具工具、氮化矽陶瓷軸承、汽車發動機氣門、汽車增壓渦輪、加熱器、各種耐磨、耐高溫、耐腐蝕零件等已經在航空、電子、化工、汽車等領域廣泛應用。隨著氮化矽陶瓷增韌技術和製備工藝的不斷發展，氮化矽陶瓷的應用將不斷擴展，因而對高性能氮化矽粉的需求量也將日益增加。
現有技術中常用的氮化矽粉體製備方法有以下幾種一、矽粉直接氮化法，該方法簡便、成本低，因為矽與氮的反應為放熱反應，為了使矽粉能充分反應，工藝控制比較複雜；同時由於原料本身純度和氮化以後的磨細工序的摻雜，造成粉料的純度不高。二、碳熱還原二氧化矽法，此法利用自然界中十分豐富的二氧化矽為原料，加之較快的反應速率，特別適宜於大規模生產，但缺點是產物中含碳量較高。三、等離子體化學氣相反應法，該方法利用矽的滷化物(SiCl4SiBr4…等)或矽的氫滷化物(SiHCl3SiH2Cl2…等)與氨或者氮氣加氫氣發生化學氣相反應，或矽烷(SiH4)與氨或聯氨(N2H4)發生化學氣相反應，一般生成無定型氮化矽粉體；該無定型氮化矽粉體在氮氣氣氛下，經過熱處理後可以得到α相含量大於95％的氮化矽粉體，但目前該技術主要局限於實驗室研究，一直未能得到批量生產和實際應用；且製得粉體的氧含量大於2-3％，且殘留氯含量較高，達到60ppm，最終會影響氮化矽陶瓷的性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種用等離子體化學氣相反應法批量生產無定型氮化矽粉體，然後採用專用的連續轉相熱處理設備去除無定型氮化矽粉體表面的氯化氨，並轉相成為低氧、低氯含量和高α-相的優質氮化矽粉體，實現批量生產。
本發明的技術方案如下一種氮化矽粉體轉相的方法，該方法以Ar和H2為工作氣體，以NH3和SiCl4為原料，利用等離子體化學氣相法生產得到無定型Si3N4粉體，在連續轉相熱處理裝置內將無定型氮化矽粉體轉相，在連續轉相熱處理裝置內將無定型氮化矽粉體轉相，所述熱處理裝置包括推料器、前密封箱、中溫爐、高溫爐、冷卻帶以及後密封箱，在該裝置內裝有可連續運動的多個盛粉容器，在前密封箱、高溫爐、冷卻帶以及後密封箱均設有保護氣氛入口，在中溫爐上設有保護氣氛出口，其特徵在於粉體轉相按如下步驟進行
a.將無定型氮化矽粉體原料放入前密封箱內的盛粉體容器中，通過推料器將容器推進連續轉相的熱處理裝置內；b.粉料在氨氣或氨氣和氮氣混合氣氣氛保護下，首先經過中溫爐去除粉料表面的氯化銨，其處理溫度為500～600℃，處理時間為1～2小時；c.然後繼續進入高溫爐進行無定型氮化矽的轉相和結晶化處理，其處理溫度在1450～1550℃，處理時間為1～1.5小時，即可得到高α相氮化矽粉體；d.經轉相處理後的氮化矽粉體經冷卻帶冷卻後進入後密封箱，再由後密封箱中取出。
當以氨氣和氮氣混合氣為保護氣氛時，氨氣與氮氣的比例為1∶0.5～1，氨氣從設置在高溫爐和冷卻帶的氣體入口進入，氮氣從設置在前密封箱和後密封箱的氣體入口進入。
本發明與現有技術相比具有以下優點及有益效果本發明採用等離子體化學氣相工藝製備的無定型氮化矽粉體為原料，在氨氣或氨氣氮氣混合氣氛下，採用連續轉相熱處理設備去除氯化氨，並獲得高純、高α相氮化矽粉體，與現有技術相比，本發明的優點在於(1)採用專用的連續熱處理設備，可以連續、批量製備高α相氮化矽粉體；α相95.5～97.5％；粒度分布特性平均粒度D50＝0.18μm～0.35μm。
(2)採用氨氣或氨氣氮氣混合保護氣氛，降低了轉相後產品中的氧含量，氧含量小於0.2％，殘留氯含量採用螢光X射線方法分析已經檢測不到，有效提高了粉體性能。
圖1為現有技術中採用等離子體化學氣相法製備無定型氮化矽粉體的工藝流程圖。
圖2為本發明帶有連續轉相熱處理裝置的工藝流程圖。
圖3為本發明中連續轉相熱處理裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本發明的原理、結構及具體實施方式
圖1是等離子體化學氣相法製備無定型氮化矽粉體的工藝流程圖。首先通入等離子體工作氣體Ar和H2，然後啟動等離子體電源，等離子體發生器產生等離子電弧，流經電弧的氣體被加熱至約5000℃的高溫，進入反應器；與此同時，NH3和SiCl4原料氣體也進入等離子體反應器中，發生快速分解和Si3N4的合成反應。
生成的Si3N4經極短時間(毫秒級)的結晶、長大，然後經過管道輸送至冷環境中快速冷卻下來，再經過粉料收粉系統實現氣固分離而得到無定型Si3N4粉體；分離後的氣體經過尾氣處理系統處理後排入大氣。
將採用上述工藝得到的表面帶有NH4Cl的無定型氮化矽粉體，放入連續轉相熱處理裝置中(見圖2)，在可控氣氛條件下去除粉體表面的氯化銨，並在高溫下轉相得到高純、超細、高α相Si3N4粉體。具體實施過程如下
如圖3所示，本發明採用的連續轉相熱處理裝置主要由推料器3、前密封箱1、中溫爐10、高溫爐9、冷卻帶8以及後密封箱7組成，在該裝置內裝有可連續運動的多個盛粉容器6，在前密封箱、高溫爐、冷卻帶以及後密封箱均設有保護氣氛入口5，在中溫爐上設有保護氣氛出口4。設備運行時，首先在裝料工位2將表面帶有氯化氨的無定型氮化矽粉體裝入在前密封箱1內的坩堝6中，通過推料器3使坩堝連續進入熱處理爐內；盛滿粉體的坩堝首先進入採用電阻絲加熱、溫度為500℃～600℃的中溫爐10內，經過約1～2小時去除表面的氯化銨後，進入溫度為1450℃～1550℃的高溫爐9，該高溫爐可採用石墨碳管加熱或矽鉬棒加熱，經過1～1.5小時完成無定型氮化矽的轉相，然後進入冷卻帶8充分冷卻後，被推進後密封箱7，最後由後密封箱取出轉相後的氮化矽粉體和坩堝6。在整個處理過程中，系統內均處於氣氛保護狀態，當採用氨氣為保護氣體時，氨氣由位於冷卻帶8的氣體入口和高溫爐9的氣體入口5進入，氨氣經過高溫爐和中溫爐並攜帶在中溫爐內產生的氯化銨氣體由位於中溫爐前部的氣體出口4排出；在前密封箱1和後密封箱7設有氮氣氣體入口，或只在開啟密封箱時通入氮氣以防止氨氣的洩漏；控制推進器的推進速度就改變了粉體在高溫爐內的轉相時間，從而可以得到不同粒徑和不同α相含量的氮化矽粉體。
實施例1採用等離子體化學氣相反應設備首先得到無定型氮化矽粉體；然後通過上述的連續轉相熱處理系統，在爐內氣氛為NH3∶N2＝1∶1的混合氣體的條件下，經過600℃約1.5小時的處理，去除了在無定型氮化矽粉體表面的氯化銨晶體；再經過1450～1500℃約1小時的熱處理得到了高純、超細、高α相含量的高性能氮化矽粉。粉體的性能指標如下1、化學組成
採用螢光X射線方法分析已經檢測不到殘留氯元素。
2、相組成採用X-光衍射分析法，經過計算所生產的氮化矽粉體的α相和β相含量分別為α相 97.5％ β相 2.5％3、粒度分布特性採用雷射衍射法，測定的粉體的平均粒度D50＝0.18μm，比表面SSA＝30.03m2/cc。
實施例2採用等離子體化學氣相反應設備首先得到無定型氮化矽粉體；然後通過上述的連續轉相熱處理系統，在爐內氣氛為NH3的條件下，經過500℃約2小時的處理，去除了在無定型氮化矽粉體表面的氯化銨晶體；再經過1500～1550℃約1.5小時的熱處理得到了高純、高α相含量的高性能氮化矽粉。粉體的性能指標如下1、化學組成
採用螢光X射線方法分析已經檢測不到殘留氯元素。
2、相組成採用X-光衍射分析法，經過計算所生產的氮化矽粉體的α相和β相含量分別為α相 95.5％ β相 4.5％3、粒度分布特性採用雷射衍射法，測定的粉體的平均粒度D50＝0.3μm，比表面SSA＝15m2/cc實施例3採用等離子體化學氣相反應設備首先得到無定型氮化矽粉體；然後通過上述的連續轉相熱處理系統，在爐內氣氛為NH3∶N2＝1∶0.5的條件下，經過550℃約2小時的處理，去除了在無定型氮化矽粉體表面的氯化銨晶體；再經過1500～1550℃約1.5小時的熱處理得到了高純、高α相含量的高性能氮化矽粉。粉體的性能指標如下1、化學組成
採用螢光X射線方法分析已經檢測不到殘留氯元素。
2、相組成採用X-光衍射分析法，經過計算所生產的氮化矽粉體的α相和β相含量分別為α相 95.％ β相 5.0％3、粒度分布特性採用雷射衍射法，測定的粉體的平均粒度D50＝0.35μm，比表面SSA＝12m2/cc
權利要求
1.一種氮化矽粉體轉相的方法，該方法以Ar和H2為工作氣體，以NH3和SiCl4為原料，利用等離子體化學氣相法生產得到無定型Si3N4粉體，在連續轉相熱處理裝置內將無定型氮化矽粉體轉相，所述熱處理裝置包括推料器(3)、前密封箱(1)、中溫爐(10)、高溫爐(9)、冷卻帶(8)以及後密封箱(7)，在該裝置內裝有可連續運動的多個盛粉容器(6)，在前密封箱、高溫爐、冷卻帶以及後密封箱均設有保護氣氛入口(5)，在中溫爐上設有保護氣氛出口(4)，其特徵在於粉體轉相按如下步驟進行a.將無定型氮化矽粉體原料放入前密封箱內的盛粉體容器中，通過推料器將容器推進連續轉相的熱處理裝置內；b.粉料在氨氣或氨氣和氮氣混合氣氣氛保護下，首先經過中溫爐去除粉料表面的氯化銨，其處理溫度為500～600℃，處理時間為1～2小時；c.然後繼續進入高溫爐進行無定型氮化矽的轉相和結晶化處理，其處理溫度在1450～1550℃，處理時間為1～1.5小時，即可得到高α相氮化矽粉體；d.經轉相處理後的氮化矽粉體經冷卻帶冷卻後進入後密封箱，再由後密封箱中取出。
2.按照權利要求
1所述的氮化矽粉體轉相的方法，其特徵在於以氨氣和氮氣混合氣為保護氣氛時，氨氣與氮氣的比例為1∶0.5～1，氨氣從設置在高溫爐和冷卻帶的氣體入口進入，氮氣從設置在前密封箱和後密封箱的氣體入口進入。
專利摘要
一種氮化矽粉體轉相的方法，該方法利用等離子化學氣相法製備的無定型氮化矽粉體為原料，在連續轉相熱處理裝置內將無定型氮化矽粉體轉相，所述熱處理裝置包括推料器，前密封箱、中溫爐、高溫爐、冷卻帶以及後密封箱，在該裝置內裝有可連續運動的多個盛粉容器，並以氨或氨與氮的混合氣體為保護氣氛。採用本發明可連續、批量生產高α相氮化矽粉體；α相95.5～97.5%；粒度分布特徵平均粒度D
文檔編號C01B21/068GKCN1189388SQ02123440
公開日2005年2月16日 申請日期2002年6月28日
發明者齊龍浩, 白萬傑, 潘偉, 曹陽 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan