CN102531612A

CN102531612A - 氮化硅材料和氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法

Info

Publication number: CN102531612A
Application number: CN2010105895132A
Authority: CN
Inventors: 茹敏朝; 徐鹏; 张伟儒; 喻显扬
Original assignee: BEIJING SINOMA SYNTHETIC CRYSTAL INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: BEIJING SINOMA SYNTHETIC CRYSTAL INSTITUTE Co Ltd; Beijing Sinoma Synthetic Crystals Co Ltd
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种氮化硅材料和氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，所述氮化硅材料由以下重量百分比的各原料组成：氮化硅65～87.5%、纳米氮化硅5～15%、烧结助剂8～15%、碳化钨0.5～5%；所述氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，包括以下步骤：按上述重量百分比称取氮化硅、纳米氮化硅、烧结助剂和碳化钨，球磨混合均匀；将混料干燥制成基料；压制成型后，得到筒状素坯；在车床上加工成适当尺寸；将加工好的素坯放入烧结炉内，充入氮气烧结；停止加热，降温，于常压，打开炉门，自然冷却，得到毛坯；将毛坯在磨床上进行端面加工，即得成品。

Description

氮化硅材料和氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮化硅材料和氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，无机化学材料技术领域。

背景技术

国际光伏产业正在迅猛发展，多晶硅市场方兴未艾。目前，伴随着多晶硅的生产，工艺尾气中的四氯化硅的处理问题日趋突出，可能产生严重的环境污染问题。同时随着市场竞争加剧，促使厂商不断重视四氯化硅的循环利用。

多晶硅氢化炉作为工艺尾气的处理装置，其工艺条件非常苛刻。四氯化硅需在1200℃高温下反应，炉内温度可能瞬时达到1400℃。同时电极需要在100℃以下才能正常工作，这1100℃左右的温差对保护电极的隔热盘罩的材质提高了很高的要求。业界一般采用石英、氧化铝和氮化硅材质。石英在1200℃左右会有相变引起体积较大变化，氧化铝由于其热膨胀系数较大无法较长时间高频次承受如此高的温度梯度，这两个原因导致隔热盘罩的频繁更换。虽然国外进口的氮化硅隔热罩盘寿命长，但是价格过高，供货期长，无法在国内市场普及使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种氮化硅材料和氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种氮化硅材料，所述氮化硅材料由以下重量百分比的各原料组成：氮化硅65～87.5%、纳米氮化硅5～15%、烧结助剂5～15%和碳化钨0.5～5%。

本发明所述的氮化硅材料有益效果是：纳米氮化硅加入后能使总得氮化硅表面能加大，颗粒间接触面积加大，扩散距离短，溶解析出也相对容易；过多的纳米氮化硅会导致收缩不好掌握，同时会加大成本，所以控制在15%内为宜；含有的烧结助剂，一方面能够提供流动性好的液相促进氮化硅烧结，另一方面能够在降温时从氮化硅晶界的玻璃相中析出高熔点的晶体，提高氮化硅的高温强度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述普通氮化硅的平均粒径为0.1～5μm，所述纳米氮化硅的平均粒径＜100nm，所述碳化钨的平均粒径＜2μm。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用亚微米级的碳化钨能够留在氮化硅晶界，一方面抑制氮化硅晶粒的异常长大，另一方面提高晶界的高温强度。

进一步，所述烧结助剂由重量百分比的金属氧化物20～80%和稀土氧化物20～80%组成。

采用上述进一步方案的有益效果是，一方面可低氮化硅烧结时液相出现的温度,促进氮化硅粉体的烧结致密化过程；另一方面，稀土氧化物的加入可以改变所生成的液相的粘度，促进针状氮化硅晶粒的生成，提高氮化硅的强度和韧性。

进一步，所述金属氧化物为氧化铝和/或氧化镁，所述稀土氧化物为氧化钇、氧化镱、氧化铈、氧化镧或氧化钐中的一种或任意几种的混合物。

采用上述进一步方案的有益效果是，其所形成的液相在降温过程中能够以熔点较高的晶体物质析出，从而提高晶界相的高温强度。

进一步，所述氧化铝或氧化镁的平均粒径＜5μm，所述稀土氧化物的平均粒径＜5μm。

采用上述进一步方案的有益效果是，一方面，在高能球磨中较易破碎形成新的表面，提高粉末的烧结活性，促进液相的形成；另一方面，能够与氮化硅粉料混合均匀，降低氮化硅的成分偏析。

进一步，所述碳化钨的平均粒径为0.1～1μm。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用该数值范围内大小的留在氮化硅晶界的碳化钨，能够最好地抑制氮化硅晶粒的异常长大，提高晶界的高温强度。

本发明解决上述技术问题的又一技术方案：一种该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，包括以下步骤：

1）按以下重量百分比称取各原料：普通氮化硅70～90%、纳米氮化硅5～15%、烧结助剂5～15%和碳化钨0.5～5%，置入盛有溶剂的容器内，加入研磨剂及研磨介质，滚筒球磨20～40小时或高能球磨3～6小时；

2）将球磨好的混料置入烘箱，于80～180℃烘干筛除杂物制成基料，或者混料直接雾化干燥制成基料；

3）将基料置入按产品设计的几何尺寸做好的模具后，经过冷等静压成型后，得到筒状素坯；

4）筒状素坯在车床上进行精加工，得到高精度尺寸的素坯；

5）将加工好的素坯放入烧结炉内，于充入氮气的条件下烧结；

6）停止加温，温度降至150℃开始卸压至常压，打开炉门，自然冷却，得到毛坯。

7）将毛坯在磨床上进行端面加工，即得成品。

本发明所述的氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法的有益效果是，在隔热盘罩的制备过程中使用冷等静压成型工艺，能够获得密度分布均匀，强度高的素坯，可以进行机械加工，并能够有效减少烧结过程中气孔、裂纹、收缩不均等缺陷的产生，纳米氮化硅的加入降低烧结时的温度和压力，提高烧结密度，获得质量明显提高的产品。

进一步，所述步骤1）中的溶剂为高纯乙醇、去离子水或蒸馏水，所述研磨剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，所述研磨介质为氧化铝或氮化硅磨球，所述高能球磨为搅拌磨或行星球磨。

采用上述进一步方案的有益效果是，能够降低粉料中的杂质含量。同时高能球磨能够破碎粉料的颗粒，使得粒度分布较窄。

进一步，所述步骤1）中所述研磨剂小于等于氮化硅材料各原料总质量的3%。

采用上述进一步方案的有益效果是，能够使各种粉料充分混合，防止成分偏析。

进一步，所述步骤3）中的模具为橡胶或聚氨酯模具。

采用上述进一步方案的有益效果是，橡胶或聚氨酯模具就有良好的回弹特性和压缩特性，能够成型出高质量的坯体。

进一步，所述步骤3）中冷等静压的压力为120～250MPa。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用该压力条件下的冷等静压，能够在获得密度分布均匀，强度高的素坯的作用方面获得较好的效果。

进一步，所述步骤5）中其烧结过程为：先升温至1350～1500℃，压力加至0.4～1MPa，保持10～60分钟，继续升温至1700～1900℃时，压力加至3～6MPa，保持1～3小时。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用两步法烧结能够提高氮化硅烧结体的致密度，同时缩短烧结时间。

附图说明

图1为本发明所述的该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明所述的该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法的流程图，如图1所示，发明所述的该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，包括以下步骤：

1）按适当的重量比称取各原料，于介质中球磨混合均匀；

2）将混料干燥制成基料；

3）压制成型后，得到筒状素坯；

4）在车床上加工成适当尺寸；

5）将加工好的素坯放入烧结炉内，充入氮气烧结；

6）停止加热，降温，常压打开炉门自然冷却，得到毛坯；

7）将毛坯在磨床上进行端面加工，即得成品。

实施例1

按以下的重量百分比称取各原料：氮化硅（平均粒径为0.1～5μm ）87.5%、纳米氮化硅（平均粒径＜100nm）7%、烧结助剂为Al₂O₃（平均粒径＜5μm）4%、Y₂O₃6%，碳化钨（平均粒径＜5μm）为0.5%，将其放入高强氧化铝陶瓷容器中，加入溶剂高纯乙醇，放入氮化硅磨球，滚筒球磨30小时，混料置入温度120℃的烘箱中烘干，烘干后筛去杂物，置入橡胶模具中进行冷等静压成型，成型压力为180MPa，得到素坯。素坯在车床上加工至精确尺寸后放入烧结炉中在氮气气氛下升温加压烧结。具体升温过程为：温度升至1350℃时，压力加至0.4MPa，保持30分钟，继续升温至1800℃时，压力加至5MPa，保持2小时。停止加温，随炉冷却至150℃时卸压，自然冷却后得到毛坯。然后再磨床加工端面，使其端面符合公差配合，得即成品。

经检验，制得的隔热盘罩的技术指标为：抗弯强度为700MPa，断裂韧性为7.1MPa·m^1/2，密度不小于3.21g/cm³,硬度为HRA92.6。

实施例2

按以下的重量百分比称取各原料：氮化硅65%，纳米氮化硅15%，烧结助剂：Al₂O₃ 8%、La₂O₃ （平均粒径＜5μm）7%，碳化钨（平均粒径＜5μm）为5%，加入溶剂高纯乙醇，加入原料总质量1%的研磨剂聚乙二醇，放入氧化铝磨球，滚筒球磨40小时，混料置入温度80℃的烘箱中烘干，烘干后筛去杂物。基料置入聚氨酯模具中进行冷等静压成型，成型压力为200MPa，得到素坯。素坯在车床上加工至精确尺寸后放入烧结炉中在氮气气氛下升温加压烧结。具体升温过程为：温度升至1400℃时，压力加至1MPa，保持30分钟，继续升温至1850℃时，压力加至3MPa，保持2小时。停止加温，随炉冷却至150℃时卸压，自然冷却后得到毛坯。然后再磨床加工端面，使其端面符合公差配合，即得成品。

经检验，制得的隔热盘罩的技术指标为：抗弯强度为800MPa，断裂韧性为5.5MPa·m^1/2，密度不小于3.27g/cm³,硬度为HRA92.1。

实施例3

按以下的重量百分比称取各原料：氮化硅74%，纳米氮化硅12%，烧结助剂：MgO₂ 6%、CeO₂ （平均粒径＜5μm）6%，碳化钨为1%，加入溶剂高纯乙醇，加入蒸馏水，加入原料总质量1%的研磨剂聚乙二醇，再放入氧化铝磨球，滚筒球磨20小时，混料置入温度180℃的烘箱中烘干，烘干后筛去杂物。基料置入聚氨酯模具中进行冷等静压成型，成型压力为120MPa，得到素坯。素坯在车床上加工至精确尺寸后放入烧结炉中在氮气气氛下升温加压烧结。具体升温过程为：温度升至1500℃时，压力加至1MPa，保持60分钟，继续升温至1900℃时，压力加至3MPa，保持3小时。停止加温，随炉冷却至150℃时卸压，自然冷却后得到毛坯。然后再磨床加工端面，使其端面符合公差配合，即得成品。

经检验，制得的隔热盘罩的技术指标为：抗弯强度为800MPa，断裂韧性为9.3MPa·m^1/2，密度不小于3.20g/cm³,硬度为HRA91.3。

实施例4

按以下的重量百分比称取各原料：氮化硅85%，纳米氮化硅5%，烧结助剂：Al₂O₃ 5%、Yb₂O₃ （平均粒径＜5μm）3%，碳化钨为2%，加入溶剂高纯乙醇，加入原料总质量3%的研磨剂聚乙烯醇，放入氧化铝磨球，搅拌磨球磨3小时，混料进行喷雾干燥后得到基料。基料置入聚氨酯模具中进行冷等静压成型，成型压力为200MPa，得到素坯。素坯在车床上加工至精确尺寸后放入烧结炉中在氮气气氛下升温加压烧结。具体升温过程为：温度升至1480℃时，压力加至1MPa，保持20分钟，继续升温至1750℃时，压力加至3MPa，保持2小时。停止加温，随炉冷却至150℃时卸压，自然冷却后得到毛坯。然后再磨床加工端面，使其端面符合公差配合，即得成品。

经检验，制得的隔热盘罩的技术指标为：抗弯强度为800MPa，断裂韧性为6.0MPa·m^1/2，密度不小于3.20g/cm³,硬度为HRA91.6。

实施例5

按以下的重量百分比称取各原料：氮化硅74%，纳米氮化硅9%，烧结助剂：Al₂O₃ 6%、Sm₂O₃ 7%，碳化钨为4%，加入溶剂去离子水，加入原料总质量2%的研磨剂聚乙二醇，放入氧化铝磨球，行星球磨6小时，混料进行喷雾干燥后得到基料。基料置入聚氨酯模具中进行冷等静压成型，成型压力为250MPa，得到素坯。素坯在车床上加工至精确尺寸后放入烧结炉中在氮气气氛下升温加压烧结。具体升温过程为：温度升至1450℃时，压力加至1MPa，保持10分钟，继续升温至1850℃时，压力加至3MPa，保持2小时。停止加温，随炉冷却至150℃时卸压，自然冷却后得到毛坯。然后再磨床加工端面，使其端面符合公差配合，即得成品。

经检验，制得的隔热盘罩的技术指标为：抗弯强度为750MPa，断裂韧性为6.5MPa·m^1/2，密度不小于3.30g/cm³,硬度为HRA92.1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氮化硅材料，其特征在于，所述氮化硅材料由以下重量百分比的各原料组成：氮化硅65～87.5%、纳米氮化硅5～15%、烧结助剂5～15%和碳化钨0.5～5%。

2.根据权利要求1所述的氮化硅材料，其特征在于，所述普通氮化硅的平均粒径为0.1～5μm，所述纳米氮化硅的平均粒径＜100nm，所述碳化钨的平均粒径＜2μm。

3.根据权利要求1所述的氮化硅材料，其特征在于，所述烧结助剂由重量百分比的金属氧化物20～80%和稀土氧化物20～80%组成。

4.根据权利要求3所述的氮化硅材料，其特征在于，所述金属氧化物为氧化铝和/或氧化镁，所述稀土氧化物为氧化钇、氧化镱、氧化铈、氧化镧或氧化钐中的一种或任意几种的混合物。

5.根据权利要求4所述的氮化硅材料，其特征在于，所述氧化铝或氧化镁的平均粒径＜5μm，所述稀土氧化物的平均粒径＜5μm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按以下重量百分比称取各原料：氮化硅70～90%、纳米氮化硅5～15%、烧结助剂5～15%和碳化钨0.5～5%，置入盛有溶剂的容器内，加入研磨剂及研磨介质，滚筒球磨20～40小时或高能球磨3～6小时；

2）将研磨好的混料置入烘箱，于80～180℃烘干筛除杂物制成基料，或者混料直接雾化干燥制成基料；

4）筒状素坯在车床上进行精加工，得到高精度尺寸的素坯；

7）将毛坯在磨床上进行端面加工，即得成品。

7.根据权利要求6所述的用该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的溶剂为高纯乙醇、去离子水或蒸馏水，所述研磨剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，所述研磨介质为氧化铝或氮化硅磨球，所述高能球磨为搅拌磨或行星球磨。

8.根据权利要求6所述的该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中所述研磨剂小于等于氮化硅材料各原料总质量的3%。

9.根据权利要求6所述的该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中冷等静压的压力为120～250MPa。

10.根据权利要求6所述的该氮化硅材料制成的隔热盘罩的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中其烧结过程为：先升温至1350～1500℃，压力加至0.4～1MPa，保持10～60分钟，继续升温至1700～1900℃时，压力加至3～6MPa，保持1～3小时。