CN103072960A - 纳米氮化硅粉的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种颗粒均匀、工艺简单且生产周期短的纳米氮化硅粉的生产方法，用等离子体转移弧作为加热源对坩埚内的硅原料进行直接加热，直接生成纳米硅粉，与氮化反应气体反应生成氮化硅粉，纳米硅粉在整个反应过程中，呈高度分散状态，与氮化反应气体能够充分混合，转化率极高；并且不会因为反应过程中剧烈的放热而产生烧结、结块现象；粒度分布窄，通过调节工艺参数，直接生产出所要的粒径的氮化硅粉，粒径可在10-1000nm之间调节；工艺周期短，不需要后续处理，成本相对较低。

Description

纳米氮化硅粉的生产方法

技术领域：

本发明涉及一种纳米氮化硅粉的生产方法。

背景技术：

现有生产氮化硅粉的方法很多，包括硅粉的直接氮化法、氧化硅粉的碳热还原法、高温自蔓延合成法、等离子化学合成法、化学气相合成法，溶胶凝胶法。直接氮化法和碳热还原法是最基本的氮化硅粉生产方法，已经广泛应用于工业化生产，其中生产纳米氮化硅粉的生产方法是等离子化学合成法。化学气相合成法及溶胶凝胶法。其他几种方法都是从这两种基本方法中衍生出来的，但这两种基本方法在实际生产过程中还存在一些缺点有待去解决，如硅粉直接氮化法：

硅粉直接氮化法的工艺是在高温的氮气气氛中，硅粉直接与氮气反应生成氮化硅粉末。该方法的缺点是：在反应初期，硅粉表面生成的氮化硅粉层，阻碍氮气向颗粒中心扩散，致使氮化硅粉的产率较低；此外，硅与氮气的反应是强放热反应，释放出的热量会导致粉体产生自烧结而形成团聚，从而使得粉体颗粒粗化。为了能改善直接氮化法所带来的这些问题，一些研究者做了很多工作，比如采用延长氮化时间、增加氮化次数、提高粉末的分散性等来提高氮化硅粉的转化率。这并没有从根本上解决直接氮化法的缺陷。单纯延长保温时间，不仅使生产周期延长，而且使氮化硅粉烧结结块现象变得严重；增加氮化次数的方法虽然在一定程度上提高了氮化率，但提高的程度有限，并且增加了工序，使生产成本升高；因为直接氮化法问题的根源是，生成的氮化硅粉阻碍了氮气向硅粉中心的扩散，因此有人想到了用悬浮法来增加氮气与硅粉的接触面积，以此提高硅粉的转化率，这种方法工艺过程复杂，实际操作很难达到实际效果。硅粉的直接氮化法生产的氮化硅粉粒径较粗，不均匀，根本的问题是氮化不完全，工艺周期长，成本高。

而氧化硅粉的碳热还原法就是将混合均匀的氧化硅和碳在氮气气氛中加热，首先氧化硅被碳还原，所得产物硅再与氮气反应生成氮化硅粉。其缺点是合成时间较长、氮化温度较高，而且反应后还需对过量的碳进行除碳处理，导致生产成本较高。

而化学气相沉积法较难获得20nm以下的粉体。溶胶凝胶法是最便利的方法，易于大规模生产，缺点是纯度难以保证，氧含量和游离碳含量都比较高。

发明内容：

为解决上述的技术问题，本发明提供一种颗粒均匀、工艺简单且生产周期短的纳米氮化硅粉的生产方法。

本发明的技术方案是，提供一种具有以下结构的纳米氮化硅粉的生产方法，制备步骤如下：

（1）将硅原材料放入高温金属蒸发器坩埚中，检验设备的气密性合格后，对高温金属蒸发器坩埚内的硅原料进行加热，将硅熔化成液体。

（2）开启加料机，向高温金属蒸发器的坩埚内开始连续进料，进料速率为：2.2～4.5Kg/h。

（3）高温金属反应器坩埚中蒸发出来的硅蒸气进入粒子形成器，硅蒸气被充入粒子形成器的惰性气体冷却到固态，形成纳米硅粉，在惰性气体的输送下，纳米硅粉进入氮化反应室，在氮化反应室内，纳米硅粉与氮化反应气体反应，形成纳米氮化硅粉；

（4）氮化反应室内纳米氮化硅粉与气体的混合物通过气固分离器分离后，氮化硅粉末被收集下来，得到氮化硅粉末，气体经过冷却后循环使用或排空；完成上述各步骤的设备组成的系统中的压力为0.05～0.1MPa。

所述的硅原料为粒状或小块状。

对高温金属蒸发器坩埚内的硅原料进行加热的加热源为等离子体转移弧。

所述的冷却气体为氩气。

所述步骤（3）中的氮化反应室内氮化反应温度为1000-1500℃。

所述的氮化反应气体为氮气或氨气或两者的混合气体。

系统压力为0.08～0.1MPa。

采用上述结构后，本发明具有以下显著优点和有益效果：

用等离子体转移弧作为加热源对坩埚内的硅原料进行直接加热，直接生成纳米硅粉，与氮化反应气体反应生成氮化硅粉，纳米硅粉在整个反应过程中，呈高度分散状态，与氮化反应气体能够充分混合，转化率极高；并且不会因为反应过程中剧烈的放热而产生烧结、结块现象；粒度分布窄，通过调节工艺参数，直接生产出所要的粒径的氮化硅粉，粒径可在10-1000nm之间调节；工艺周期短，不需要后续处理，成本相对较低。

附图说明：

图1为利用本发明生产方法制备纳米氮化硅粉的工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

附图1标示了本发明中各步骤中所涉及的制备流程图。

实施例1：

本发明高纯纳米氮化硅粉的生产方法，制备步骤如下：采用纯硅粒作为原料，将纯硅粒放入高温金属蒸发器的坩埚内，对整个制备系统设备抽真空，并向整个设备系统中充氩气对设备系统进行冲洗，直到系统内的氧气被完全置换干净，使系统内为惰性气氛，启动等离子发生装置，利用等离子体转移弧作为加热源，对高温金属蒸发器内的纯硅粒进行加热，将硅熔化成液体，硅蒸汽开始蒸发并经过粒子形成器，往粒子形成器内通入氩气作为冷却气体对硅蒸汽进行冷却，将硅蒸汽从汽体冷却为纳米硅粉，与此同时，启动进料机，开始连续进料，纯硅粒的进料速率为2.9Kg/h，整个制备系统的压力控制在绝压0.1MPa，氩气将纳米硅粉从粒子形成器内带入氮化反应器内，往氮化反应器充入氨气作为氮化反应气体，氨气的流量为3.3m³/h，通过调节冷却气体氩气的流量来控制氮化反应室的温度，使纳米硅粉和氨气在1000℃左右反应生成纳米氮化硅粉，氮化硅粉、冷却气体以及氮化反应后的气体经气固分离器过滤后，氮化硅粉被收集下来，生成的氮化硅粉的粒径D50为100nm，此方法制造的氮化硅粉的含量可达到99.9%，多余气体经冷却后循环使用。

实施例2：

本发明高纯纳米氮化硅粉的生产方法，制备步骤如下：采用纯硅粒作为原料，将纯硅粒放入高温金属蒸发器的坩埚内，对整个制备系统设备抽真空，并向整个设备系统中充氩气对设备系统进行冲洗，直到系统内的氧气被完全置换干净，使系统内为惰性气氛，启动等离子发生装置，利用等离子体转移弧作为加热源，对高温金属蒸发器内的纯硅粒进行加热，将硅熔化成液体，硅蒸汽开始蒸发并经过粒子形成器，往粒子形成器内通入氩气作为冷却气体对硅蒸汽进行冷却，将硅蒸汽从汽体冷却为纳米硅粉，与此同时，启动进料机，开始连续进料，纯硅粒的进料速率为3.5Kg/h，整个制备系统的压力控制在绝压0.08MPa，氩气将纳米硅粉从粒子形成器内带入氮化反应器内，往氮化反应器充入氨气作为氮化反应气体，氨气的流量为4.2m³/h，通过调节冷却气体氩气的流量来控制氮化反应室的温度，使纳米硅粉和氨气在1200℃左右反应生成纳米氮化硅粉，氮化硅粉和冷却气体和氮化反应后的气体经气固分离器过滤后，氮化硅粉被收集下来，生成的氮化硅粉的粒径D50为20nm，此方法制造的氮化硅粉的含量可达到100%，多余气体经冷却后循环使用。

本发明的高温金属蒸发器为专利201110119245.2中的高温金属蒸发器，该蒸发器结构如下：包括用于盛放金属块和融化后的金属液体的坩埚、等离子体转移弧炬、等离子体转移弧、石墨、电源和导线；所述的等离子体转移弧炬中设有供气体进入的进气管；所述的等离子体转移弧炬产生的等离子体转移弧下端与坩埚中的金属液面相接；所述的石墨设于坩埚的底部；所述的等离子体转移弧炬、等离子体转移弧、坩埚、石墨、电源和导线之间构成电回路，所述的等离子体转移弧的上方设有供金属原料加入的进料管。

Claims (7)

1.一种纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于，制备步骤如下：

（1）将硅原材料放入高温金属蒸发器坩埚中，检验设备的气密性合格后，对高温金属蒸发器坩埚内的硅原料进行加热，将硅熔化成液体；

（2）开启加料机，向高温金属蒸发器的坩埚内开始连续进料，进料速率为：2.2～4.5Kg/h；

（3）高温金属反应器坩埚中蒸发出来的硅蒸气进入粒子形成器，硅蒸气被充入粒子形成器的惰性气体冷却到固态，形成纳米硅粉，惰性气体和纳米硅粉进入氮化反应室，在氮化反应室内，纳米硅粉与氮化反应气体反应，形成纳米氮化硅粉；

（4）氮化反应室内纳米氮化硅粉与气体的混合物通过气固分离器分离后，氮化硅粉末被收集下来，得到氮化硅粉末，气体经过冷却后循环使用或排空；完成上述各步骤的设备组成的系统中的压力为0.05～0.1MPa。

2.根据权利要求1所述的纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于：所述的硅原料为粒状或小块状。

3.根据权利要求1所述的纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于：对高温金属蒸发器坩埚内的硅原料进行加热的加热源为等离子体转移弧。

4.根据权利要求1所述的纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于：所述的冷却气体为氩气。

5.根据权利要求1所述的纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于：所述步骤（3）中的氮化反应室内氮化反应温度为1000-1500℃。

6.根据权利要求1所述的纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于：所述的氮化反应气体为氮气或氨气或两者的混合气体。

7.根据权利要求1所述的纳米氮化硅粉的生产方法，其特征在于：系统压力为0.08～0.1MPa。

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