[发明专利]氮化硅粉末的制造方法及设备

说明书

本发明涉及一种氮化硅粉末的制造方法及设备，适用于金属氮化物的制备，产品用于制备具有超硬耐热性能的氮化物制品。它包括如下步骤：首先四氯化硅与液氨在有机溶剂界面反应生成硅亚胺，然后将硅亚胺热分解制得氮化硅粉末。

在日本专利昭56-44006中公开了一种金属氮化硅粉末的制造方法，它的目的是为了解决现有技术中金属卤化物和液氨剧烈反应所产生的反应热的移走的和副产物卤化铵“烟雾”堵塞设备、管道的问题。它的内容是在液氨和金属卤化物的反应器中加入了与之不相溶且比重比液氨大的有机溶剂，金属卤化物和液氨的反应通过把金属卤化物通入到反应体系下部的有机溶剂层中来实现，使生成硅亚胺的反应能够顺利进行。它的不足之处是该方法是一间歇式的反应，不能连续化生产，每批反应完成后，需要把溶剂和产物全部转移出去，溶剂用量很大，另外在将硅亚胺转移到电炉中热分解的过程中也易被水化、氧化，致使产品的氧含量升高，有机溶剂与产物的分离不好也容易引起产品的碳含量增高。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种制造高纯超细Si₃N₄粉末的连续生产方法，同时达到降低产品中的C、Cl^-和0等杂质含量的目的，提高Si₃N₄粉末的质量，降低有机溶剂的消耗。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：

本发明是用四氯化硅与液氨在有机溶剂界面反应生成硅亚胺，然后将其加热分解制得氮化硅粉末的方法及设备，其特征在于通过如下步骤连续进行：

（a）硅亚胺的合成：在装有搅拌器和多孔分布板的反应器[2]中首先加入液氨和与之不相溶且比重大于液氨的有机溶剂，然后将四氯化硅和惰性气体连续通入有机溶剂层中并不断补充液氨，惰性气体携带四氯化硅通过多孔分布板[8a]均匀到达有机溶剂和液氨界面，与液氨反应生成硅亚胺和氯化铵，漂浮于有机溶剂层上面，反应热被液氨吸收作为气化热使部分液氨气化，生成的NH₄Cl烟雾也被液氨吸收，避免管道设备堵塞，使反应能连续不断的进行。

（b）硅亚胺的洗涤：在反应器中生成的硅亚胺和副产品氯化铵随液氨流体通过反应器出口流经装有液氨喷嘴[10]和多孔过滤板[8b]的喷淋洗涤器[3]，在喷淋洗涤器中，硅亚胺得到洗涤，副产物NH₄Cl溶解在液氨中，通过多孔过滤板后回收。液氨的喷淋速度可根据反应进行的速度进行调节，保证硅亚胺洗涤完全。

（c）固液分离：经喷淋洗涤器洗涤后的硅亚胺随液氨流体通过喷淋洗涤器出口流入旋液分离器[4]，经过旋液分离，硅亚胺与液氨分开，液氨回收循环使用，硅亚胺进入热分解炉。

（d）热分解：来自旋液分离器的硅亚胺连续进入热分解结晶化处理炉[5]，在惰性气体气氛中加热，先后进入干燥带、热分解带和结晶化带，最后制得α-Si₃N₄粉末，连续出料。

本发明的目的还可以通过以下具体措施来达到：

四氯化硅和液氨反应生成硅亚胺所需用的有机溶剂是分子中含有5～7个碳原子的脂肪烃或芳香烃，或其中任意两种或几种的混合物，建议采用甲苯∶环己烷＝1∶1，按照本发明的方法，有机溶剂一次加入可连续使用，在日本专利JP5644006中所述之批量合成方法中，每生产1克Si₃N₄粉末需消耗33ml有机溶剂。

硅亚胺的合成及热分解都需要在惰性气体气氛中进行，建议采用氮气。

合成硅亚胺的原料四氯化硅和液氨要按照适当的比例通入，建议采用的比例是SiCl₄∶NH₃＝1∶10～20，最好采用1∶10～15，这样既能保证通入的SiCl₄完全反应，又能使反应热及时带走，副产物NH₄Cl“烟雾”也能得到充分吸收，保证反应持续稳定的进行。

反应器[2]中的多孔分布板和喷淋器[3]中的多孔分布板是由金属、塑料、陶瓷材料制成的，最好用多孔陶瓷板。

多孔分布板[8a]的安装位置距反应器出口下沿5～20cm，至少3cm。该分布板的作用是使原料SiCl₄均匀地扩散到界面上反应，同时对产物和有机溶剂起到隔离作用，使生成的硅亚胺在分布板上积累，超过出口便流入喷淋洗涤器中。

硅亚胺的合成反应可以在常压低温下进行，也可以在常温加压下进行，考虑到设备造价我们建议在常压低温下进行，建议采用的反应温度是0～-80℃，最好是-40～-55℃。