超細碳－氮－矽複合材料氣相合成新工藝的製作方法

2023-05-31 00:31:11 1

專利名稱：超細碳－氮－矽複合材料氣相合成新工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種矽基複合材料的氣相合成新工藝，具體地說是對矽基複合材料製作工藝的改進。
Si-N-C複合材料具有突出的韌性和高溫強度，且表現出共價鍵陶瓷的超塑性能，是高溫結構陶瓷、精密光學零件、隱形材料的理想基料。在新材料領域中以其優異性能佔據重要地位，是發展高新技術產業的基礎原料，因而受到世界各國的普遍重視。目前，生產Si-N-C複合材料的方法從理論上講可劃分為二種其一混合燒結法，由高純的Si3N4和SiC按比例混合，採用燒結法得到Si-N-C複合材料。此法工藝過程複雜、成本高、不適用於產業化。其二，雷射誘導氣相合成法，以矽烷為原料，可製得純度高、粒度細的粉料。但該方法設備投資巨大，原料昂貴，使產品成本過高而不適於工業化生產。上述二種工藝實際中只在實驗室規模下做過系統模擬，而未能實現規模化的工業實驗。
本發明的目的在於找出一個適用於工業化生產Si-N-C的新工藝，使其不但能保證Si-N-C優異的技術性能，而且要設備投資小，工藝操作容易，成本低廉，易於使Si-N-C產品具有合理的性能價格比而啟動其商品市場。
本發明的著眼點是對氣相合成法工藝的改進。其工藝方法可參考超細氮化矽微粉氣相合成新工藝進行，該工藝方法已由申請人正式申請國家專利，申請號99109605.3，名稱為超細氮化矽微粉氣相合成新工藝。本工藝所採用的裝備可參考直流電弧等離子體反應器進行計，該設備是申請人的實用新型發明專利，專利號ZL99205853.8，實用新型名稱等離子法製取超細微粉的反應器，本工藝涉及的主要工序都可在該設備內完成，具體工藝流程及控制條件如下a、氮化反應器環境以氮氣置換反應器內空氣，使反應器內保持負壓，負壓值為58-125cm水柱，以利於反應中物料的輸送。
b、液態原料的蒸發與定量傳輸將液態NH3和液態三氯甲基矽烷按重量比1∶1.4-1.8，分別置入蒸發器內，轉化為氣態按重量比轉化的流量比同步注入等離子體反應器內。由於NH3沸點較低，常溫下可完成汽化，因而NH3無需特殊蒸發器裝置，CH3SiCl3的沸點高於液氨，為保證CH3SiCl3能以設定流量穩恆輸入反應器，須將蒸發器內溫度調至80℃-150℃，壓力為0.2MPa-0.4MPa。然後按氣化後的三氯甲基矽烷送入穩壓罐中穩壓，然後按輸送壓力下NH3和CH3SiCl3對應的流量比來控制混合進入反應室的此種原料的重量比。
c、在設定溫度下完成Si-N-C合成溫度的設定與調整是本工藝技術的關鍵之一，Si-N-C的合成溫度在1100℃-1800℃之間，往往根據原料的種類和純度有較大的區別，加入原料中有效成份變化會直接影響合成溫度。這往往是批量原料進廠後必須由預生產實驗來嚴格確定的參數。溫度的調節和設定可由以下工藝參數的變化獲得調節等離子弧發生器的輸出功率，並配合調節穩弧氣體N2和H2輸入反應器內的引流量比。N2和H2輸入流量比為1∶2.5-3.8之間。
d、合成後的生成物淬冷細化氣相合成下的生成物經淬冷會直接形成固態，不但可以減少能量消耗，而且防止生成物晶粒的增大，形成超細微化的精細結構。為有效地將生成物引入沉降室，可使部分N2從反應器頂部引入形成反應器上部容器局部正壓，促使物流形成向下的移動趨勢，與生成物的自重沉降相結合，順利完成引流進入淬冷沉降器的目的。為了保證淬冷的工藝效果，利用沉降器壁外夾層中的強迫水冷循環，使沉降器內形成理想的溫度梯度，該梯度以自由沉降過程為參考每自由沉降四分之一秒，溫度應下降0.5-1.2絕對溫標。經過這一梯度的淬冷處理可以使生成物達到納米級的精細結構，十分理想。為保證正常的工藝流程，從頂部引入的N2氣流量應在28-60升/分之間。冷卻水自下向上用高壓打入，水壓力以能實現工藝要求的溫度梯度為準進行適當調節。
e、布袋收集反應物被輸到布袋收粉器，將冷卻的Si-N-C收集起來。
f、加熱後處理，由於生成物中含有生成物雜質氯化氫(或氯化銨)，將收集好的細微粉置於真空乾燥箱內加熱230℃-500℃，在N2的惰性氣氛中維持2-5小時，可以有效的將氯化氫或氯化銨除去，回收後氯化氫或氯化銨可作為副產品。
為進一步說明本發明的工藝及其發明目的是如何實現的，並給出以下實施例實施例1反應器負壓58cm水柱，等離子體功率60KW，CH3SiCl3流量217g/min，NH3流量為155g/min，H2流量126升/min，N2流量為63升/min。
實施例2反應器負壓85cm水柱，等離子體功率75KW，CH3SiCl3流量286g/min，NH3流量為170g/min，H2流量289升/min，N2流量為85升/min。
實施例3反應器負壓125cm水柱，等離子體功率90KW，CH3SiCl3流量387g/min，NH3流量為215g/min，H2流量344升/min，N2流量為134升/min。
根據以上工藝製取的Si-N-C純度可大於96.5％，總氧含量小於1.5％，氮離子不大於0.1％，平均粒度50-100nm，而整體造價成本已明顯具有商業價值。而且設備投資小，工藝簡單，操作方便，能源低耗，特別技術指標上的突破，為納米級Si-N-C複合材料進入實用階段打下了堅實的基礎。
權利要求
1.超細Si-N-C複合材料氣相合成新工藝，工藝採用三氯甲基矽烷和液氨為基本原料，在密閉容器內加熱完成相合成，再經熱處理獲取超細Si-N-C複合材料，其特徵在於該合成工序是在以等離子弧為熱源的密封反應器內完成的，具體工藝流程如下a、氮化反應環境，保持反應器負壓為58-125cm水柱，b、液態原料的蒸發與定量傳輸，將液氨和三氯甲基矽烷按重量比1∶1.4-1.8，分別置入蒸發器內，轉化為氣態按重量比轉化的流量比同步注入等離子體反應器，c、在設定溫度下完成碳氮矽合成，設定合成溫度為1100℃-1800℃，d、生成物淬冷細化將反應生成物引入淬冷沉降器，沉降器內環境溫度梯度為每自由沉降四分之一秒，溫度下降0.5-1.2絕對溫標，e、布袋收集，f、加熱後處理，在真空乾燥箱內加熱到230℃-500℃，維持2-5小時除去附在產品中的氯化物。
2.根據權利要求1所述的氣相合成新工藝，其特徵在於液態CH3SiCl3的氣化條件為80℃-150℃，壓力保持0.2MPa-0.4MPa。
3.根據權利要求1所述的氣相合成新工藝，其特徵在於合成Si-N-C時的溫度調整藉助於等離子弧發生器輸出功率和穩弧氣體N2、H2輸入反應器的流量比例來完成的。
4.根據權利要求3所述的氣相合成新工藝，其特徵在於N2∶H2輸入流量比1∶2-1∶3.8。
5.根據權利要求1所述的氣相合成新工藝，其特徵在於藉助反應器頂部引流的N2將生成物引入淬冷沉降器。
6.根據權利要求5所述的氣相合成新工藝，其特徵在於從頂部引流的N2流量控制在28-60升/分。
7.根據權利要求1所述的氣相合成新工藝，其特徵在於沉降器內的溫度梯度藉助於雙夾層沉降器壁中自下而上的高壓循環水冷實現。
全文摘要
本發明是一種製備超細碳氨矽複合材料的氣相合成新工藝,工藝中採取直流等離子弧為熱源的密閉反應器中完成,所採用的原料為三氯甲基矽烷和液氨,兩者按1.4－1.8∶1的比例(液態重量比)注入反應器,並藉助自由沉降過程中淬冷直接複合成固態微粉,反應藉助調控等離子體發生器輸出功率和N
文檔編號C04B35/584GK1339416SQ0012617
公開日2002年3月13日 申請日期2000年8月25日 優先權日2000年8月25日
發明者劉慶昌 申請人:劉慶昌