[发明专利]一种高纯度氮化硅粉体的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种高纯氮化硅粉体的制备方法。

 

背景技术

氮化硅陶瓷材料具有比重轻、硬度高、热膨胀系数低、弹性模量高、耐热冲击、耐腐蚀和高温下抗蠕变性能好等特点，因而被广泛应用于制造燃气发动机的耐高温部件、化学工业中的耐腐耐磨零件、以及高温陶瓷轴承等。

氮化硅粉的纯度是高质量质量制品的关键，是高质量前涂层的决定性因素。

气相法是制备高纯氮化硅的重要手段。通常采用电子级硅烷和氨气(99．99 wt％)，达到反应温度后生成了纯度较高的氮化硅纳米粉体，事实上，硅烷和氨除反应产生氮化硅外，还可能进行热分解产生微小颗粒的单质硅，将大大降低氮化硅纯度。目前主要是通过控制生成单质硅的反应孕育期，缩短反应时间以避开硅单质的生成。由于过程反应的非均匀性，这种控制方法在实际操作中存在实施难度大的特点，氮化硅产物中仍然有部分单质硅杂质，产品品质难以进一步提升。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过急快速冷却氮化硅的方式减少其中单质硅含量的方法，提高了氮化硅的纯度。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明的高纯度氮化硅粉体的制备方法，包括下述步骤：

（1）以氮气为载气，将硅烷和氨气从底部通入内壁有氮化硅衬底的垂直管式反应器，反应器腔体长度与内径的比为2：1~10：1，保持反应温度在450~900℃，所述载气流速为0.3~2.5 L/min，硅烷流速为载气的10~50%，硅烷与氨气的流速比例控制在1：3~1：10；

（2）将上述从反应器顶部出来的含反应产物的混合物质通入液态氨中迅速冷却，2h~10h后，蒸发除去液氨，然后将得到的粉体再次混入液态氨中配制浓度1%wt~35%wt的悬浊液，以氮气对悬浊液进行雾化后，将其通入U型管式反应器中，温度保持在1200~1600℃；所述悬浊液的流量控制在1 ml/min ~ 500 ml/min；

（3）冷却出口所得尘气，过滤收集，即得高纯氮化硅粉体。

步骤（1）中所述硅烷、氨气、氮气的纯度均在99wt%以上。

步骤（2）中所述氮气对悬浊液进行雾化时，气体与液体的体积比为1:0.01~1:0.3。

步骤（3）中采用袋式过滤器进行收集粉体。

本发明中所述管式垂直反应器和U型管式反应器均为耐高温材质，内壁有氮化硅衬底的气体混合反应容器，所述反应容器的结构设计主要目的是有益于在高温时的气体的混合或反应，如附图1、2所示反应器构造示意。

本发明通过采用急快速冷却氮化硅的方式，溶解去除了单质硅，避免了单质硅微粒的生成，从而有效提高了产品氮化硅的纯度，同时本发明的方法实施操作简便，过程反应均匀，更进一步提升了产品的品质。

 

附图说明

图1为垂直管式反应器结构及应用工艺示意图；

图2为U型管式反应器结构及应用工艺示意图。

 

具体实施方式

下面的实施例用于对本发明内容的进一步说明，并非对本发明实质精神的限制。

实施例1

（1）用氮气作为载气，硅烷和氨气从底部通入内壁有氮化硅衬底的垂直管式反应器中，反应器中的温度保持在500℃，反应器腔体长度为500mm，反应器腔体长度与内径的比为5：1。氮气流速为1.5 L/min，硅烷流速为载气的15%，硅烷与氨气的流速比例（SiH4：NH3）控制在1：4.5，所述硅烷的纯度为电子级别，氨气纯度为99.99%wt，所述氮气的纯度为99．9 wt%。

（2）接着将含反应产物的混合物质通入液态氨中迅速冷却，液氨变得浑浊，5h后，于-10℃以上蒸发除去液氨，然后将得到的粉体重新混入液态氨中配制浓度15%wt的悬浊液，以氮气对悬浊液进行雾化，悬浊液的流量10ml/min,氮气与悬浊液的流量比为1:0.2，从底部引入垂直U型管式反应器中，反应器腔体中的温度保持在1280℃，垂直U型管式反应器腔体总长为1500mm，反应器腔体长度与内径的比为5：1。所述氮气的纯度为99．9 wt%。

（3）冷却出口尘气，采用袋式过滤器收集，即得99.996%高纯氮化硅粉体,其中总氧量0.023%、含氮量38.61% 。

 

实施例2