CN107986795A - 一种高纯氮氧化硅的制备方法 - Google Patents

一种高纯氮氧化硅的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107986795A
CN107986795A CN201711352598.0A CN201711352598A CN107986795A CN 107986795 A CN107986795 A CN 107986795A CN 201711352598 A CN201711352598 A CN 201711352598A CN 107986795 A CN107986795 A CN 107986795A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon oxynitride
temperature
purity
silicon
silica flour
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711352598.0A
Other languages
English (en)
Inventor
杜宁
季勇升
杨德仁
张亚光
杜英
陆介平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JIANGSU RUNCHI SOLAR ENERGY MATERIAL S&T CO Ltd
Original Assignee
JIANGSU RUNCHI SOLAR ENERGY MATERIAL S&T CO Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JIANGSU RUNCHI SOLAR ENERGY MATERIAL S&T CO Ltd filed Critical JIANGSU RUNCHI SOLAR ENERGY MATERIAL S&T CO Ltd
Priority to CN201711352598.0A priority Critical patent/CN107986795A/zh
Publication of CN107986795A publication Critical patent/CN107986795A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/597—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon oxynitride, e.g. SIALONS
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures

Abstract

本发明公开一种高纯氮氧化硅的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅粉进行加湿处理；(2)在氮氧气氛下，将步骤(1)得到的硅粉原料进行两步高温煅烧，待反应完全后得到氮氧化硅；所述两步高温煅烧的过程为：第一步1000‑1300℃，5‑15h，第二步1300‑1500℃，10‑30h。本发明通过在硅粉内部引入水分子，水分子在高温下分解产生的氢气，其不仅可以还原硅表面氧化硅，缩短反应孕育期，而且可以一直抑制二氧化硅的生成，使得反应朝氮氧化硅方向进行，从而得到高纯氮氧化硅；本制备方法工艺简单、性能可控，且生产周期短、极大地降低了生产能耗，适合于大规模的工业化生产。

Description

一种高纯氮氧化硅的制备方法
技术领域
本发明涉及氮氧化硅陶瓷粉末材料的制备领域，具体涉及一种高纯氮氧化硅的制备方法。
背景技术
氮氧化硅(Si2N2O)是一种性能优异的结构陶瓷材料，它具有优异的耐高温强度，并且具有优异的耐高温氧化性。在高温下，它具有很低的热膨胀系数，并有良好的抗热震性。相对于现在性能优异而且应用广泛的氮化硅和碳化硅，氮氧化硅具有更加优异的高温抗氧化稳定性和化学稳定性，并具有可以耐熔融的非铁金属侵蚀的特性，它比氮化硅具有更高的分解温度，能够在更高的温度下保持温度。因此，氮氧化硅作为一种耐高温陶瓷材料具有很好的应用前景。此外，在铸造多晶硅坩埚涂层领域，氮氧化硅也具有重大的潜在应用价值。这是因为：首先，氮氧化硅作为二氧化硅和氮化硅的过度中间态物质，和二氧化硅以及氮化硅都具有较高的结合强度，当其作为二氧化硅和氮化硅的中间层时，可以有效的增强二氧化硅和氮化硅的结合强度，这使得目前广泛应用的氮化硅涂层和石英坩埚具有更强的结合效应。然后，氮氧化硅本身具有耐热冲击等高温稳定性，而且其与硅液具有更大的润湿角，相对于氮化硅来讲更不容易受到熔化的硅液的浸润，使得其单独作为铸造多晶硅坩埚涂层具有比氮化硅更大的优势。总之，氮氧化硅不仅在高温陶瓷，也在铸造多晶硅坩埚涂层领域具有很大的应用前景。
目前，制备氮氧化硅粉末的方法有三种。第一种是利用氧化硅和氮化硅直接反应烧结，具体是将氮化硅和氧化硅按一定比例混合，然后在高于1700℃的高温下反应烧结，产生的氮氧化硅一般为陶瓷块体，而且纯度不高。第二种方法是以二氧化硅为原料，在氮气气氛下利用碳热还原的方法得到氮氧化硅，这种方法最为常见，工艺最为简单，原料最为便宜和常见，但是，最终产物中氮氧化硅的含量和二氧化硅原料的性质以及反应工艺关系很大，而且产物中仍然会残留大量的碳黑。第三种方法是以硅和氧化硅为原料，先在较低的温度下氧化处理数小时，然后在较高温下氮化处理更长的时间，该方法制备的氮氧化硅中，常常含有一定量的氮氧化硅。第四种方法是利用含硅的有机物制备氮氧化硅，该方法比较复杂，原料危险性大，一般不适合大规模产业化推广。
上述氮氧化硅的制备方法中，都有难以得到高纯的氮氧化硅的问题。这是因为制备氮氧化硅往往要在氮、硅、氧的体系下进行高温处理，在这种情况下，往往容易生成稳定的氧化硅或者氮化硅，使得最终氮氧化硅的产物中含有氧化硅或者氮化硅等杂质。
为了解决上述问题，本行业内的研究人员提出了许多方案。
专利申请号为201510244620.4的中国专利公开了一种以硅和二氧化硅为原料，在1380℃-1500℃下热爆合成然后浮选的制备氮氧化硅的方法。该方法反应周期短，反应过程中没有稀释剂和催化剂，成本低廉。但是，热爆合成反应迅速，放出巨大热量，具有一定危险性，不适合大规模产业化应用。
闫玉华等(闫玉华,王思青.含硅原料对合成氮氧化硅粉末的影响[J].陶瓷学报,1997(3):154-157.)利用廉洁的二氧化硅原料，通过先对二氧化硅原料进行活化处理，然后在碳热还原的作用下生成氮氧化硅。这种方法巧妙利用了二氧化硅的活化，制备了较高纯度的氮氧化硅。但是，这种方法工艺较为复杂，二氧化硅活化过程使用了酸洗的工艺，其具有环境污染的风险，整体工艺复杂，成本较高，有污染环境的风险，不适合做大规模产业化推广。
专利申请号为201510692032.7的中国专利公开了一种利用高纯硅粉和纳米非晶二氧化硅为原料，在高温下氮氧化合成反应后，再溶液分散，过滤，干燥得到氮氧化硅晶须。该方案使用的纳米非晶二氧化硅成本较高，难以有量化生产，而且纳米的二氧化硅和微米的硅粉难以混合均匀，导致生成的产物成分也不均匀。同样不适合做大规模产业化的推广。
发明内容
本发明提供了一种高纯氮氧化硅的制备方法，通过先对高纯硅粉进行加湿，然后在氮氧混合气的气氛下进而高温煅烧，进而获得高纯氮氧化硅。
本发明的技术方案具体为：
一种高纯氮氧化硅的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅粉进行加湿处理；
(2)在氮氧气氛下，将步骤(1)得到的硅粉原料进行两步高温煅烧，待反应完全后得到氮氧化硅；所述两步高温煅烧的过程为：第一步1000-1300℃，5-15h，第二步1300-1500℃，10-30h；优选的，所述两步高温煅烧的过程为：第一步1250-1300℃，10-15h，第二步1400-1450℃，20-30h。
步骤(1)中加湿处理后的硅粉中水分含量为0.2-10％。优选为0.5-5％；进一步优选为1-3％。
步骤(1)中所述加湿处理用的水为电导率≥0.5mΩ·cm(兆欧厘米)的水，优选为去离子水。所述硅粉的纯度≥99.99％，其粒径分布的D90为0.2～10μm；优选的，所述粒径分布的D90为1-5μm。
步骤(2)所述两步高温煅烧过程中的压力为1～10个大气压，氮气和氧气的体积比为1:0.01～0.1。优选的，所述的压力为1-5个大气压，氮气和氧气的体积比为1:0.01-0.05。
上述的方法制备的高纯氮氧化硅，其纯度≥99％。
本发明方法通过先对硅粉进行加湿在硅粉内部引入水分子，在高温下使得水分子率先分解为氢气和氧气，氢气不仅可以还原硅表面的氧化物，促进反应的进行，缩短了反应的孕育期，而且在反应过程可以一直抑制二氧化硅生成，使得反应一直朝氮氧化硅方向进行，进而顺利获得高纯的氮氧化硅。本制备方法工艺简单、性能可控，且生产周期短、极大地降低了生产能耗，适合于大规模的工业化生产。两步煅烧法第一步形成部分氮氧化硅晶种，使得最终更容易完全转变为纯的氮氧化硅，提高最终转化率。
本发明所述高纯氮氧化硅的制备方法最优选技术方案的详细过程包括以下步骤：
(1)对高纯硅粉进行加湿处理，使得硅粉中水分含量达到0.2-10％；其中，所述高纯硅粉的纯度≥99.99％，其粒径分布的D90为0.2～10μm，加湿用的水为去离子水；
(2)在氮氧气氛下，将步骤(1)得到的硅粉原料加热到1000-1300℃，保温5-15h，再升温至1300-1500℃，保温10-30h，反应过程中的压力为1～10个大气压，氮气和氧气的体积比为1:0.01～0.1，待反应完全后得到高纯氮氧化硅。
除特别说明外，本发明所涉及的原材料均可以市场购买获得。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本制备方法工艺简单、性能可控，且生产周期短、极大地降低了生产能耗，适合于大规模的工业化生产；
本方法制备的氮氧化硅中，原料硅粉转化完全，氮氧化硅的纯度达到99％以上。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不局限于以下实施例。
实施例1
将纯度为99.99％，D90为0.2微米的高纯硅粉用去离子水进行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到0.5％。然后将上述硅粉加热到1200℃，保温5h，再升温至1300℃，保温10h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.01，保持气氛压力为2个大气压。高温煅烧结束后，降温得到纯度高达99.2％的氮氧化硅，其氧化硅含量小于0.1％，氮化硅含量小于0.1％，金属杂质总量小于100ppm。
实施例2
将纯度为99.99％，D90为1微米的高纯硅粉用去离子水进行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到1％。然后将上述硅粉加热到1250℃，保温10h，再升温至1450℃，保温20h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.05，保持气氛压力为5个大气压。高温煅烧结束后，降温得到纯度高达99.8％的氮氧化硅，其氧化硅含量小于0.1％，氮化硅含量小于0.1％，金属杂质总量小于100ppm。
实施例3
将纯度为99.99％，D90为3微米的高纯硅粉用去离子水进行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到3％。然后将上述硅粉加热到1300℃，保温15h，再升温至1400℃，保温30h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.03，保持气氛压力为3个大气压。高温煅烧结束后，降温得到纯度高达99.9％的氮氧化硅，其氧化硅含量小于0.1％，氮化硅含量小于0.1％，金属杂质总量小于100ppm。
实施例4
将纯度为99.99％，D90为3微米的高纯硅粉用去离子水进行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到3％。然后将上述硅粉加热到1300℃，保温15h，再升温至1400℃，保温30h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.03，保持气氛压力为1个大气压。高温煅烧结束后，降温得到纯度高达99.8％的氮氧化硅，其氧化硅含量小于0.1％，氮化硅含量小于0.1％，金属杂质总量小于100ppm。
实施例5
将纯度为99.99％，D90为5微米的高纯硅粉进用去离子水行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到5％。然后将上述硅粉加热到1100℃，保温15h，再升温至1500℃，保温10h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.1，保持气氛压力为10个大气压。高温煅烧结束后，降温得到纯度高达99.4％的氮氧化硅，其氧化硅含量小于0.1％，氮化硅含量小于0.1％，金属杂质总量小于100ppm。
实施例6
将纯度为99.99％，D90为5微米的高纯硅粉进用去离子水行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到10％。然后将上述硅粉加热到1100℃，保温15h，再升温至1500℃，保温10h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.1，保持气氛压力为10个大气压。高温煅烧结束后，降温得到纯度高达99.1％的氮氧化硅，其氧化硅含量小于0.1％，氮化硅含量小于0.1％，金属杂质总量小于100ppm。
比较例1
将纯度为99.99％，D90为0.2微米的高纯硅粉用去离子水进行加湿处理，使得硅粉中水分的质量百分含量达到0.1％。然后将上述硅粉加热到1200℃，保温5h，再升温至1300℃，保温10h，加热过程中一直通入过量的氮氧混合气，氮气和氧气体积比为1:0.01，保持气氛压力为2个大气压。高温煅烧结束后，降温得到氮化硅，二氧化硅和氮氧化硅质量比例为1:1:1的混合物。比较例结果显示，硅粉中水分的质量百分含量显著影响所制备的氮氧化硅的质量。

Claims (10)

1.一种高纯氮氧化硅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅粉进行加湿处理；
(2)在氮氧气氛下，将步骤(1)得到的硅粉原料进行两步高温煅烧，待反应完全后得到氮氧化硅；所述两步高温煅烧的过程为：第一步1000-1300℃，5-15h，第二步1300-1500℃，10-30h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中加湿处理后的硅粉中水分含量为0.2-10％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加湿处理后的硅粉中水分含量为0.5-5％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加湿处理后的硅粉中水分含量为1-3％。
5.根据权利要求1～4中任一所述的方法，其特征在于，所述加湿处理用的水为电导率≥0.5mΩ·cm的水，优选为去离子水。
6.根据权利要求1～4中任一所述的方法，其特征在于，所述硅粉的纯度≥99.99％，其粒径分布的D90为0.2～10μm；优选的，所述粒径分布的D90为1-5μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述两步高温煅烧的过程为：第一步1250-1300℃，10-15h，第二步1400-1450℃，20-30h。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述两步高温煅烧过程中的压力为1～10个大气压，氮气和氧气的体积比为1:0.01～0.1。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的压力为1-5个大气压，氮气和氧气的体积比为1:0.01-0.05。
10.采用权利要求1～9中任一所述的方法制备的高纯氮氧化硅。
CN201711352598.0A 2017-12-15 2017-12-15 一种高纯氮氧化硅的制备方法 Pending CN107986795A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711352598.0A CN107986795A (zh) 2017-12-15 2017-12-15 一种高纯氮氧化硅的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711352598.0A CN107986795A (zh) 2017-12-15 2017-12-15 一种高纯氮氧化硅的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107986795A true CN107986795A (zh) 2018-05-04

Family

ID=62038678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711352598.0A Pending CN107986795A (zh) 2017-12-15 2017-12-15 一种高纯氮氧化硅的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107986795A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111170746A (zh) * 2020-01-14 2020-05-19 南昌大学 一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法
CN111168055A (zh) * 2020-01-14 2020-05-19 大同新成新材料股份有限公司 一种铜基氮氧化硅受电弓碳滑条材料制备方法
CN111960828A (zh) * 2020-08-03 2020-11-20 武汉科技大学 冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚及其制备方法
CN114940626A (zh) * 2022-06-16 2022-08-26 西安热工研究院有限公司 一种孔分布均匀的耐磨损多孔氮化硅的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105297129A (zh) * 2015-10-23 2016-02-03 南昌大学 一种氮氧化硅晶须的合成方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105297129A (zh) * 2015-10-23 2016-02-03 南昌大学 一种氮氧化硅晶须的合成方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
明亮等: "晶体硅微粉气相氮化及氮氧化条件", 《材料科学与工程学报》 *
翁史烈: "《话说氢能》", 31 January 2014, 广西教育出版社 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111170746A (zh) * 2020-01-14 2020-05-19 南昌大学 一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法
CN111168055A (zh) * 2020-01-14 2020-05-19 大同新成新材料股份有限公司 一种铜基氮氧化硅受电弓碳滑条材料制备方法
CN111170746B (zh) * 2020-01-14 2021-01-05 南昌大学 一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法
CN111960828A (zh) * 2020-08-03 2020-11-20 武汉科技大学 冶炼光伏级硅用氮氧化硅/石英复合陶瓷坩埚及其制备方法
CN114940626A (zh) * 2022-06-16 2022-08-26 西安热工研究院有限公司 一种孔分布均匀的耐磨损多孔氮化硅的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107986795A (zh) 一种高纯氮氧化硅的制备方法
CN105347346B (zh) 一种空气辅助制备多孔纳米硅的方法
CN102730687A (zh) 以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法
CN103588216B (zh) 一种硼/碳热还原法低温制备硼化锆粉体的方法
CN101973532A (zh) 一种纳米氮化铝粉体的制备方法
CN109437203B (zh) 一种高纯一维SiC纳米材料的制备方法
CN107001052A (zh) 用于生产用于电池电极的电极材料的方法
CN103754891B (zh) 一种硼/碳热还原法低温制备硼化铪粉体的方法
CN109081350A (zh) 一种低温熔融盐介质制备纳米硅的方法
CN109553105A (zh) 一种高纯碳化硅粉及其制备方法
CN105692642A (zh) 一种纳米棒状硼化锆粉体及其制备方法
CN103979507A (zh) 一种利用高气压和氟化物添加剂辅助制备球形氮化铝粉体的方法
CN105755541A (zh) 一种利用微波诱发燃烧合成反应合成氧化锌晶须的方法
CN100488873C (zh) 一维SiC纳米线的制备方法
CN201857440U (zh) 太阳能级多晶硅提纯铸锭用的坩埚
CN111825093B (zh) 一种SiC纳米粉体颗粒的制备方法
CN105000562A (zh) 一种碳化硅空心球的制备方法
CN106430212A (zh) 一种工业化大规模生产碳化硅粉体的方法
CN101717262B (zh) 溶胶凝胶-溶剂热法制备纳米莫来石粉体的方法
CN104692387B (zh) 一种以含硅生物质为原料低温制备纳米碳化硅的方法及所制备得到的纳米碳化硅
CN102874809A (zh) 一种碳化硅复合粉体及其制备工艺
CN100560487C (zh) 一种低温制备立方碳化硅纳米线的方法
CN101700980B (zh) 溶胶凝胶-水热法制备纳米莫来石粉体的方法
CN110240132B (zh) 一种基于熔盐法的氮化硅镁粉体及其制备方法
CN105780120B (zh) 一种Y2Si2O7晶须及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180504