[发明专利]氮化硅烧结体及其制造方法

说明书

本发明涉及利用反应烧结制造的氮化硅(Si₃N₄)烧结体以及其制造方法。

反应烧结法是氮化硅烧结体的制造方法之一，它是在硅(Si)粉末的坯体于氮气气氛中氮化的同时进行烧结。但是，如果用纯Si粉末构成的坯体与氮气反应从而制备氮化硅烧结体，则需要例如象J.Mater.Sci.22(1987)P3041～3086特别是P3074～3075中所描述的那样的达100小时以上的长氮化时间，因而具有生产效率低的显著缺点。

为解决这个缺点，特许公报昭61-38149号公报、公开特许公报平5-330921号公报、专利申请公告平5-508612号公报中提出了在Si粉末中添加Ni、Co、Ti、Zr等氮化促进剂从而加速氮化的方法。根据这些方法，Si粉末表面的无定形SiO₂层与氮化促进剂反应生成液相、使氮的扩散速度提高从而促进了氮化。尤其根据公开特许公报平5-330921号公报，能把氮化时间缩短到约8小时。

但是，在这些使用氮化促进剂的方法中也由于氮在Si粉末表面的液相内侧生成的氮化硅层(Si₃N₄)内的扩散系数小，阻碍了氮向内侧的进一步扩散与Si₃N₄的进一步生成，因而不能进一步缩短氮化时间。另外，如公开特许公报平5-330921号公报所述，需要在1200～1450℃的高温下以50℃的间隔分几阶段进行氮化处理的复杂的温度控制工艺，因而很难说这样的方法具有优良的生产效率。

另外，根据这些使用氮化促进剂的反应烧结法制得的Si₃N₄烧结体，由于气孔率为4～11vol％没有充分致密，三点弯曲强度为460MPa强度低，因此不适于用作结构材料。

鉴于原有技术的这些问题本发明的目的就是缩短氮化硅烧结体在反应烧结时的氮化时间从而提高生产率，以及提供反应烧结制得的致密高强的氮化硅烧结体。

为实现上述目的，本发明提供的氮化硅烧结体是利用Si粉末的反应烧结得到的，其特征在于它的未配对电子浓度为10¹⁵/cm³～10²¹/cm³。

为了制造本发明的氮化硅烧结体，需用未配对电子浓度为10¹⁵/cm³～10²⁰/cm³的Si粉末进行反应烧结。未配对电子浓度在此范围的Si粉末可通过把市售Si粉末在非氮气气氛中于300～800℃的温度下煅烧1～5小时等方法获得。这种情况下的气氛优选地为空气、氢气、氩气、它们的混合物或者10torr以下的真空。

根据本发明的氮化硅烧结体，是在具有上述未配对电子浓度的Si粉末中添加烧结助剂以及氮空位形成剂的粉末，使它们反应烧结而制得的。

更具体地说，根据本发明的氮化硅烧结体的制造方法是在具有上述未配对电子浓度的Si粉末中添加元素换算值为0.1～15mol％，优选地为0.5～10mol％的选自稀土元素、Al、Mg、Ca的至少一种元素的化合物作为烧结助剂，添加元素换算值为0.5～15mol％，优选地1～10mol％的电价在+1到+4，优选地+1～+3的并且其共价键半径RM与Si的共价键半径RSi具有(RM-RSi)/RSi＜0.5的关系的除Al、Mg、Ca以外的元素或者该元素的化合物作为氮空位形成剂，使它们反应烧结。

氮空位形成剂的具体例子有选自Sc、Ni、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ti、Zn、Ga、Ge的至少一种元素或其化合物、优选地其醇盐、硬脂酸盐或月桂酸盐。

在传统的氮化硅的反应烧结中，氮化处理时间长是因为有2个阻碍氮扩散的因素，即Si粉末表面形成的无定形SiO₂层与由于氮化而在Si粉末表面生成的Si₃N₄层。