專利名稱:一種氮化硅粉體轉(zhuǎn)相的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用等離子體化學(xué)氣相法生產(chǎn)無定型氮化硅粉體并將其轉(zhuǎn)相的設(shè)備及工藝，特別涉及一種批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)相獲得高純、超細(xì)、高α相氮化硅粉體的方法。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷具有高硬度、強度高、耐磨損、耐高溫，熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗熱震性好，密度低等一系列優(yōu)點，在陶瓷發(fā)動機、機械加工、微電子學(xué)、空間科學(xué)和核動力工程等領(lǐng)域，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)產(chǎn)品如氮化硅陶瓷刀具工具、氮化硅陶瓷軸承、汽車發(fā)動機氣門、汽車增壓渦輪、加熱器、各種耐磨、耐高溫、耐腐蝕零件等已經(jīng)在航空、電子、化工、汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著氮化硅陶瓷增韌技術(shù)和制備工藝的不斷發(fā)展，氮化硅陶瓷的應(yīng)用將不斷擴展，因而對高性能氮化硅粉的需求量也將日益增加。
現(xiàn)有技術(shù)中常用的氮化硅粉體制備方法有以下幾種一、硅粉直接氮化法，該方法簡便、成本低，因為硅與氮的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了使硅粉能充分反應(yīng)，工藝控制比較復(fù)雜；同時由于原料本身純度和氮化以后的磨細(xì)工序的摻雜，造成粉料的純度不高。二、碳熱還原二氧化硅法，此法利用自然界中十分豐富的二氧化硅為原料，加之較快的反應(yīng)速率，特別適宜于大規(guī)模生產(chǎn)，但缺點是產(chǎn)物中含碳量較高。三、等離子體化學(xué)氣相反應(yīng)法，該方法利用硅的鹵化物(SiCl4SiBr4…等)或硅的氫鹵化物(SiHCl3SiH2Cl2…等)與氨或者氮氣加氫氣發(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)，或硅烷(SiH4)與氨或聯(lián)氨(N2H4)發(fā)生化學(xué)氣相反應(yīng)，一般生成無定型氮化硅粉體；該無定型氮化硅粉體在氮氣氣氛下，經(jīng)過熱處理后可以得到α相含量大于95％的氮化硅粉體，但目前該技術(shù)主要局限于實驗室研究，一直未能得到批量生產(chǎn)和實際應(yīng)用；且制得粉體的氧含量大于2-3％，且殘留氯含量較高，達到60ppm，最終會影響氮化硅陶瓷的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用等離子體化學(xué)氣相反應(yīng)法批量生產(chǎn)無定型氮化硅粉體，然后采用專用的連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理設(shè)備去除無定型氮化硅粉體表面的氯化氨，并轉(zhuǎn)相成為低氧、低氯含量和高α-相的優(yōu)質(zhì)氮化硅粉體，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種氮化硅粉體轉(zhuǎn)相的方法，該方法以Ar和H2為工作氣體，以NH3和SiCl4為原料，利用等離子體化學(xué)氣相法生產(chǎn)得到無定型Si3N4粉體，在連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置內(nèi)將無定型氮化硅粉體轉(zhuǎn)相，在連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置內(nèi)將無定型氮化硅粉體轉(zhuǎn)相，所述熱處理裝置包括推料器、前密封箱、中溫爐、高溫爐、冷卻帶以及后密封箱，在該裝置內(nèi)裝有可連續(xù)運動的多個盛粉容器，在前密封箱、高溫爐、冷卻帶以及后密封箱均設(shè)有保護氣氛入口，在中溫爐上設(shè)有保護氣氛出口，其特征在于粉體轉(zhuǎn)相按如下步驟進行
a.將無定型氮化硅粉體原料放入前密封箱內(nèi)的盛粉體容器中，通過推料器將容器推進連續(xù)轉(zhuǎn)相的熱處理裝置內(nèi)；b.粉料在氨氣或氨氣和氮氣混合氣氣氛保護下，首先經(jīng)過中溫爐去除粉料表面的氯化銨，其處理溫度為500～600℃，處理時間為1～2小時；c.然后繼續(xù)進入高溫爐進行無定型氮化硅的轉(zhuǎn)相和結(jié)晶化處理，其處理溫度在1450～1550℃，處理時間為1～1.5小時，即可得到高α相氮化硅粉體；d.經(jīng)轉(zhuǎn)相處理后的氮化硅粉體經(jīng)冷卻帶冷卻后進入后密封箱，再由后密封箱中取出。
當(dāng)以氨氣和氮氣混合氣為保護氣氛時，氨氣與氮氣的比例為1∶0.5～1，氨氣從設(shè)置在高溫爐和冷卻帶的氣體入口進入，氮氣從設(shè)置在前密封箱和后密封箱的氣體入口進入。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點及有益效果本發(fā)明采用等離子體化學(xué)氣相工藝制備的無定型氮化硅粉體為原料，在氨氣或氨氣氮氣混合氣氛下，采用連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理設(shè)備去除氯化氨，并獲得高純、高α相氮化硅粉體，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)采用專用的連續(xù)熱處理設(shè)備，可以連續(xù)、批量制備高α相氮化硅粉體；α相95.5～97.5％；粒度分布特性平均粒度D50＝0.18μm～0.35μm。
(2)采用氨氣或氨氣氮氣混合保護氣氛，降低了轉(zhuǎn)相后產(chǎn)品中的氧含量，氧含量小于0.2％，殘留氯含量采用熒光X射線方法分析已經(jīng)檢測不到，有效提高了粉體性能。



圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用等離子體化學(xué)氣相法制備無定型氮化硅粉體的工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明帶有連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置的工藝流程圖。
圖3為本發(fā)明中連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)及具體實施方式
圖1是等離子體化學(xué)氣相法制備無定型氮化硅粉體的工藝流程圖。首先通入等離子體工作氣體Ar和H2，然后啟動等離子體電源，等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子電弧，流經(jīng)電弧的氣體被加熱至約5000℃的高溫，進入反應(yīng)器；與此同時，NH3和SiCl4原料氣體也進入等離子體反應(yīng)器中，發(fā)生快速分解和Si3N4的合成反應(yīng)。
生成的Si3N4經(jīng)極短時間(毫秒級)的結(jié)晶、長大，然后經(jīng)過管道輸送至冷環(huán)境中快速冷卻下來，再經(jīng)過粉料收粉系統(tǒng)實現(xiàn)氣固分離而得到無定型Si3N4粉體；分離后的氣體經(jīng)過尾氣處理系統(tǒng)處理后排入大氣。
將采用上述工藝得到的表面帶有NH4Cl的無定型氮化硅粉體，放入連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置中(見圖2)，在可控氣氛條件下去除粉體表面的氯化銨，并在高溫下轉(zhuǎn)相得到高純、超細(xì)、高α相Si3N4粉體。具體實施過程如下
如圖3所示，本發(fā)明采用的連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置主要由推料器3、前密封箱1、中溫爐10、高溫爐9、冷卻帶8以及后密封箱7組成，在該裝置內(nèi)裝有可連續(xù)運動的多個盛粉容器6，在前密封箱、高溫爐、冷卻帶以及后密封箱均設(shè)有保護氣氛入口5，在中溫爐上設(shè)有保護氣氛出口4。設(shè)備運行時，首先在裝料工位2將表面帶有氯化氨的無定型氮化硅粉體裝入在前密封箱1內(nèi)的坩堝6中，通過推料器3使坩堝連續(xù)進入熱處理爐內(nèi)；盛滿粉體的坩堝首先進入采用電阻絲加熱、溫度為500℃～600℃的中溫爐10內(nèi)，經(jīng)過約1～2小時去除表面的氯化銨后，進入溫度為1450℃～1550℃的高溫爐9，該高溫爐可采用石墨碳管加熱或硅鉬棒加熱，經(jīng)過1～1.5小時完成無定型氮化硅的轉(zhuǎn)相，然后進入冷卻帶8充分冷卻后，被推進后密封箱7，最后由后密封箱取出轉(zhuǎn)相后的氮化硅粉體和坩堝6。在整個處理過程中，系統(tǒng)內(nèi)均處于氣氛保護狀態(tài)，當(dāng)采用氨氣為保護氣體時，氨氣由位于冷卻帶8的氣體入口和高溫爐9的氣體入口5進入，氨氣經(jīng)過高溫爐和中溫爐并攜帶在中溫爐內(nèi)產(chǎn)生的氯化銨氣體由位于中溫爐前部的氣體出口4排出；在前密封箱1和后密封箱7設(shè)有氮氣氣體入口，或只在開啟密封箱時通入氮氣以防止氨氣的泄漏；控制推進器的推進速度就改變了粉體在高溫爐內(nèi)的轉(zhuǎn)相時間，從而可以得到不同粒徑和不同α相含量的氮化硅粉體。
實施例1采用等離子體化學(xué)氣相反應(yīng)設(shè)備首先得到無定型氮化硅粉體；然后通過上述的連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理系統(tǒng)，在爐內(nèi)氣氛為NH3∶N2＝1∶1的混合氣體的條件下，經(jīng)過600℃約1.5小時的處理，去除了在無定型氮化硅粉體表面的氯化銨晶體；再經(jīng)過1450～1500℃約1小時的熱處理得到了高純、超細(xì)、高α相含量的高性能氮化硅粉。粉體的性能指標(biāo)如下1、化學(xué)組成


采用熒光X射線方法分析已經(jīng)檢測不到殘留氯元素。
2、相組成采用X-光衍射分析法，經(jīng)過計算所生產(chǎn)的氮化硅粉體的α相和β相含量分別為α相 97.5％ β相 2.5％3、粒度分布特性采用激光衍射法，測定的粉體的平均粒度D50＝0.18μm，比表面SSA＝30.03m2/cc。
實施例2采用等離子體化學(xué)氣相反應(yīng)設(shè)備首先得到無定型氮化硅粉體；然后通過上述的連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理系統(tǒng)，在爐內(nèi)氣氛為NH3的條件下，經(jīng)過500℃約2小時的處理，去除了在無定型氮化硅粉體表面的氯化銨晶體；再經(jīng)過1500～1550℃約1.5小時的熱處理得到了高純、高α相含量的高性能氮化硅粉。粉體的性能指標(biāo)如下1、化學(xué)組成




采用熒光X射線方法分析已經(jīng)檢測不到殘留氯元素。
2、相組成采用X-光衍射分析法，經(jīng)過計算所生產(chǎn)的氮化硅粉體的α相和β相含量分別為α相 95.5％ β相 4.5％3、粒度分布特性采用激光衍射法，測定的粉體的平均粒度D50＝0.3μm，比表面SSA＝15m2/cc實施例3采用等離子體化學(xué)氣相反應(yīng)設(shè)備首先得到無定型氮化硅粉體；然后通過上述的連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理系統(tǒng)，在爐內(nèi)氣氛為NH3∶N2＝1∶0.5的條件下，經(jīng)過550℃約2小時的處理，去除了在無定型氮化硅粉體表面的氯化銨晶體；再經(jīng)過1500～1550℃約1.5小時的熱處理得到了高純、高α相含量的高性能氮化硅粉。粉體的性能指標(biāo)如下1、化學(xué)組成


采用熒光X射線方法分析已經(jīng)檢測不到殘留氯元素。
2、相組成采用X-光衍射分析法，經(jīng)過計算所生產(chǎn)的氮化硅粉體的α相和β相含量分別為α相 95.％ β相 5.0％3、粒度分布特性采用激光衍射法，測定的粉體的平均粒度D50＝0.35μm，比表面SSA＝12m2/cc
權(quán)利要求
1.一種氮化硅粉體轉(zhuǎn)相的方法，該方法以Ar和H2為工作氣體，以NH3和SiCl4為原料，利用等離子體化學(xué)氣相法生產(chǎn)得到無定型Si3N4粉體，在連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置內(nèi)將無定型氮化硅粉體轉(zhuǎn)相，所述熱處理裝置包括推料器(3)、前密封箱(1)、中溫爐(10)、高溫爐(9)、冷卻帶(8)以及后密封箱(7)，在該裝置內(nèi)裝有可連續(xù)運動的多個盛粉容器(6)，在前密封箱、高溫爐、冷卻帶以及后密封箱均設(shè)有保護氣氛入口(5)，在中溫爐上設(shè)有保護氣氛出口(4)，其特征在于粉體轉(zhuǎn)相按如下步驟進行a.將無定型氮化硅粉體原料放入前密封箱內(nèi)的盛粉體容器中，通過推料器將容器推進連續(xù)轉(zhuǎn)相的熱處理裝置內(nèi)；b.粉料在氨氣或氨氣和氮氣混合氣氣氛保護下，首先經(jīng)過中溫爐去除粉料表面的氯化銨，其處理溫度為500～600℃，處理時間為1～2小時；c.然后繼續(xù)進入高溫爐進行無定型氮化硅的轉(zhuǎn)相和結(jié)晶化處理，其處理溫度在1450～1550℃，處理時間為1～1.5小時，即可得到高α相氮化硅粉體；d.經(jīng)轉(zhuǎn)相處理后的氮化硅粉體經(jīng)冷卻帶冷卻后進入后密封箱，再由后密封箱中取出。
2.按照權(quán)利要求
1所述的氮化硅粉體轉(zhuǎn)相的方法，其特征在于以氨氣和氮氣混合氣為保護氣氛時，氨氣與氮氣的比例為1∶0.5～1，氨氣從設(shè)置在高溫爐和冷卻帶的氣體入口進入，氮氣從設(shè)置在前密封箱和后密封箱的氣體入口進入。
專利摘要
一種氮化硅粉體轉(zhuǎn)相的方法，該方法利用等離子化學(xué)氣相法制備的無定型氮化硅粉體為原料，在連續(xù)轉(zhuǎn)相熱處理裝置內(nèi)將無定型氮化硅粉體轉(zhuǎn)相，所述熱處理裝置包括推料器，前密封箱、中溫爐、高溫爐、冷卻帶以及后密封箱，在該裝置內(nèi)裝有可連續(xù)運動的多個盛粉容器，并以氨或氨與氮的混合氣體為保護氣氛。采用本發(fā)明可連續(xù)、批量生產(chǎn)高α相氮化硅粉體；α相95.5～97.5%；粒度分布特征平均粒度D
文檔編號C01B21/068GKCN1189388SQ02123440
公開日2005年2月16日 申請日期2002年6月28日
發(fā)明者齊龍浩, 白萬杰, 潘偉, 曹陽 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan