[发明专利]生产高纯度氮化硅的方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种通过将金属硅粉氮化而生产高纯度氮化硅的两阶段方法。

背景技术

氮化硅粉是工业上重要的原材料，其用于生产具有温度提高和抗腐蚀性与强度相结合的陶瓷材料。该材料特别用于生产遭受剧烈热应力的部件。因此氮化硅具体地用于发动机和涡轮结构或用于生产化学仪器。在冶金工业中，氮化硅是流槽、铸桶、出钢槽和坩埚等的重要成分。

由氮化硅成形的物品性能在很大程度上由其纯度决定。

现有技术中已开发了大量用于生产高纯度氮化硅的方法，并可以细分成四种方法变形。

大量方法尤其涉及到在氨或氢气/氮气混合物存在下四氯化硅或氯硅烷的热分解。

例如，根据EP 365 295 A1，晶体氮化硅粉通过氨与硅烷在900至1450℃温度下的气相反应而生成。

美国专利4,122,155公开了一种用于生产非晶氮化硅粉的方法，其中硅烷和氨在600至1000℃的温度范围内反应，然后在至少1100℃下煅烧非晶反应产物，从而以这种方式生产具有纯度提高的超细氮化硅粉。

根据公布的日本专利申请JP 06-345412，高纯氮化硅/碳化硅复合物通过例如六甲基二硅氮烷的有机硅化合物的热分解生成。相应的反应产物用于生产超导体。

美国专利4,952,715和5,008,422描述了聚硅氮烷的热分解，其中获得了氮化硅、碳化硅和任选的氮氧化硅。

所有这些方法变形的缺点是事实上必须使用氨，其在技术上是极其困难的并涉及到特定的安全措施。另一个选择，即由有机硅化合物，例如硅氮烷起始生产氮化硅，肯定被认为是技术上高度复杂且对于氮化硅的大规模工业化生产来说很不经济。

以下情况类似于第二种方法变形，即硅二酰亚胺的沉淀和热分解。

例如欧洲专利号479 050，描述了一种具有最多为0.5wt％碳含量和最多为20ppm的氯含量的硅二酰亚胺，其在含氮气氛中转化为氮化硅。

这里必须考虑的具体缺点是硅二酰亚胺必须通过四氯化硅或硫化硅与液态或气态氨反应生成，该液态或气态氨只能在具有复杂工厂和设备的工业规模基础上获得。

美国专利号4,405,589的方法具有同样的缺点，所述专利公开了生产氮化硅粉的方法，其中氯烷基硅烷首先与液相或气相氨反应，且所生成的硅二酰亚胺接着于1200至1700℃温度范围内在惰性气体气氛中煅烧。

第三种方法变形涉及到含有二氧化硅的材料在氮气存在下的碳热还原。

例如公布的日本专利申请JP 60-122706，相应公开了氮化硅粉的生产，其中二氧化硅的混合物与碳和氮化硅在含有氮气的惰性气体气氛中煅烧。

美国专利5,378,666公开了无晶须的氮化硅颗粒的生产，该颗粒通过SiO₂和碳在多孔含碳基质中反应获得。

此外，美国专利5,662,875描述了用于生产氮化硅细磨粉的连续方法，其中二氧化硅与碳在籽晶存在下的含氮气氛中反应。

这种方法变形的缺点大体上是必须使用相对较纯的原材料，且反应条件必须精确控制，从而避免形成不需要的副产品碳化硅。而且，相应的最终产物包含相当数量的碳和氧。

生产氮化硅的第四种方法变形是对硅粉进行氮化，该方法首先适合于氮化硅粉的大规模工业化生产。

日本专利申请JP 06-219715描述了α-相含量提高的高纯度氮化硅粉的生产，其中金属硅粉和氮气在氧化钙存在下进行反应。该方法变形的缺点是事实上相应的氮化硅粉具有相对较高的钙含量，且清除钙需要额外的技术努力。

例如EP 377 132 B1公开了不需要另外的添加剂，通过硅与氮气的反应直接生产氮化硅。在此情况下，在第一反应阶段硅粉与氮气在1000至1800℃反应直到氮含量为5至25wt％，以及在第二反应阶段中部分氮化产物于氮气和惰性气体的混合物中在1100至1600℃被最终氮化。使用此方法，只可能获得最大为99.8％的纯度。

发明内容

因此本发明的目的为开发一种生产高纯度氮化硅的方法，该方法不存在现有技术的缺点，相反，能够使高纯度氮化硅的生产以技术上简便和廉价的方式进行。

依据本发明的以下内容实现了这一目的：

a)使高纯度硅和氮气于圆柱形回转炉内在由氩气和氢气组成的气体混合物存在下反应直到氮含量为10至30wt％，所述圆柱形回转炉具有1150至1250℃的第一温度区和至少一个1250至1350℃的另外的温度区，以及