CN113120908B - 一种α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体制备方法 - Google Patents

一种α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种α‑Si3N4/SiC耐火材料复合粉体的制备方法，本发明采用工业生产中废弃的多晶硅废料作为原料，并通过微波感应加热技术合成α‑Si3N4/SiC复合粉体，将多晶硅废料与一定量的氯化铵进行充分混匀，然后将混合粉体放置于微波感应设备中，通入氮气并进行微波感应加热，从而制得α‑Si3N4/SiC复合粉体。本发明操作简单、绿色环保，制备的α‑Si3N4/SiC复合粉体中α‑Si3N4纯度较高，且能达到多晶硅废料直接高效回收利用的目的。

Description

一种α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料技术领域，尤其涉及一种利用多晶硅废料通过微波感应加热技术合成α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体的制备方法。
背景技术
α-Si3N4/SiC材料具有良好的耐碱侵蚀性、抗熔融冰晶石润湿性、抗氧化性、耐磨性、高导热性、抗热震性和极低的电导率，是一种制备高性能多晶硅复合陶瓷的粉体材料，广泛应用于有色金属冶炼和航空航天领域。长期以来，科研人员对Si3N4-SiC粉体制备技术进行了广泛的研究，并探索出许多成熟的制备方法，包括机械混合法、热碳还原法、气相热解法、自蔓延高温合成法和聚合物先驱体法等。然而，这些方法工艺较为复杂，且对原料的来源、性能和纯度都有较高的要求。
近年来，随着石油和煤炭等传统能源的日益减少，太阳能产业在全球得到了快速发展。在制备太阳能电池时，会将多晶硅锭或硅棒切割成硅片。其切割过程通常是在以SiC颗粒作为磨料、聚乙二醇作为分散剂、水作为溶剂组成的水性切割液中，用金属丝带动SiC颗粒磨料进行研磨切割硅。在切割过程中，会有大量的Si粉，一般含有50～52％，和被磨下的SiC颗粒进入切割液，并有少量的金属屑也会进入切割液。而这些多晶硅切割废料通常被作为工业废料丢弃，不仅造成环境污染，而且造成资源浪费。因此，如何利用价格低廉的多晶硅切割废料，进一步开发制备高性能的新型复合耐火材料，既能节省材料，又可以解决大量废料堆积所产生的环保问题进入了科研人员的研究课题中。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种利用多晶硅废料通过微波感应加热技术合成α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体的制备方法。该方法以多晶硅切割废料为原料，采用微波感应加热合成α-Si3N4/SiC复合粉体。本发明生产工艺简单，能耗小，对环境没有污染，且能达到废弃物直接回收利用的目的。
本发明的技术方案涉及一种α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体制备方法，其特点在于，本发明采用多晶硅切割废料为原料，采用微波感应加热合成α-Si3N4/SiC复合粉体，其制备步骤如下：
1)混匀与干燥，将所述多晶硅切割废料与氯化铵置于混匀机中，添加足量的水充分混匀成浆料，混匀后将所述浆料在干燥设备中烘干，制得多晶硅切割废料与氯化铵混合粉体；其中，所述氯化铵的加入量以重量百分比计为所述混合粉体总重量的20～60％，所述水的加入量与所述混合粉体的比例按照液体体积与固体质量比为5：1～7：1。
2)微波烧结，将所述混合粉体置于密闭微波感应加热设备中，通入高纯度氮气，进行微波感应加热高温烧结；所述混合粉体在高温烧结后进行保温和冷却，得到α-Si3N4/SiC复合粉体；其中，所述高纯度氮气在微波感应加热前5min通入，在微波感应加热结束后持续通入5min后关闭，所述高纯度氮气的纯度为≥99.99％。
进一步的，所述多晶硅切割废料与氯化铵混匀成浆料的时间为8～12小时；所述浆料的烘干温度为90～120℃，烘干时间12～24小时。
所述微波感应加热的功率为1000～3000W，所述混合粉体的高温烧结温度为1200～1400℃，烧结保温时间为10～40分钟。
更进一步，本发明的所述氯化铵的加入量以重量百分比计为所述混合粉体总重量的20～40％。
本发明的突出贡献在于，本发明采用的原材料为多晶硅切割废料，该废料来源广泛且成本很低。本发明采用微波感应加热来合成α-Si3N4/SiC复合粉体，利用多晶硅切割废料中的Si和SiC高吸波特性，在微波加热感应过程中，可以达到使混合粉体快速升温的目的，极大缩短了整个反应时间。其中的氯化铵可以促进Si与氮气的氮化反应，在较短的加热时间内，Si将与氮气充分反应形成α-Si3N4，保证了混合粉体中α-Si3N4和SiC粉体的纯度。
本发明的制备方法与消耗电、煤和石油等普通能源方式相比，极大降低了能源的损耗。同时可直接将多晶硅切割废料转化为高纯度的α-Si3N4/SiC复合粉体，且其工艺步骤简单易行，生产成本大幅度降低。
附图说明
图1是本发明制备方法的工艺流程图；
图2为实施例1制备的α-Si3N4/SiC复合粉体的物相衍射分析图；
图3为实施例2制备的α-Si3N4/SiC复合粉体的物相衍射分析图。
具体实施方式
以下参照附图以及示例性实施例对本发明的实施过程进行详细说明。
本发明的α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体制备方法，采用通常被作为工业废料丢弃的多晶硅切割废料为原料，采用微波感应加热快速合成α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体，其详细制备方法如下：
1)将多晶硅切割废料与氯化铵放置于混匀机中，添加足量的水进行8～12小时充分混匀成浆料；氯化铵的加入量以重量百分比计为混合粉体总重量的20～60％，水的加入量与混合粉体的比例按照液体体积与固体质量比为5：1～7：1；将混匀后的浆料在干燥设备中烘干，烘干温度90～120℃，烘干时间12～24小时，获得多晶硅切割废料与氯化铵的混合粉体。氯化铵的加入量优选为混合粉体总重量的20～40％。
2)将多晶硅切割废料与氯化铵的混合粉体放置于密闭的微波感应加热设备中，在微波感应加热前5min通入≥99.99％的高纯度氮气，混合粉体在密闭的微波感应加热设备中进行高温烧结；在烧结过程中，微波感应加热设备的功率为1000～3000W，温度为1200～1400℃，烧结保温10～40分钟；高纯度氮气的通入在微波感应加热结束5min后关闭。烧结完成后经过冷却得到α-Si3N4/SiC复合粉体。
实施例1
本实施例所采用的多晶硅切割废料主要成分如表1所示。
表1多晶硅切割废料成分(wt/％)
成分 Si SiC Fe2O3
质量分数 53.45 40.60 4.02
利用多晶硅废料通过微波感应加热技术合成α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体，其工艺过程如图1所示，按照以下步骤进行：
步骤1：混匀与干燥：将80g多晶硅切割废料粉体和20g氯化铵粉体放于混匀机中，并添加5倍混合粉量的水进行8小时混匀。其后将混匀的浆体取出并在100℃烘干箱中干燥12小时，获得干燥的混合粉体。
步骤2：通入氮气：将干燥的混合粉体置于微波感应设备中，通入氮气，氮气的纯度≥99.99％。
步骤3：微波感应加热：在通入氮气5min后，打开微波感应设备开关，进行微波感应加热高温烧结，微波感应功率为1000W，温度可达到1200℃，高温烧结加热保温时间10min。在此期间，混合粉体快速升温，整个反应时间缩短，在较短的加热时间内，Si与氮气充分反应形成α-Si3N4，保证了混合粉体中α-Si3N4和SiC粉体的纯度。加热结束后关闭微波感应设备，继续通入氮气5min后停止。混合粉体在冷却后，得到高纯度α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体。
通过X射线衍射仪对本实施例所制备的复合粉体进行成分分析，所得结果如图2所示，其复合粉体成分主要是α-Si3N4和SiC，纯度较高。此外，还有少量不可避免的杂质但可忽略不计的FeSi2出现，这是由于多晶硅切割废料中含有少量的Fe2O3与Si发生了反应。
实施例2
本实施例如实施例1，其工艺过程如图1所示，利用多晶硅废料通过微波感应加热技术合成α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体，按照以下步骤进行：
步骤1：将60g多晶硅切割废料粉体和40g氯化铵粉体放于混匀机中，并添加7倍混合粉量的水进行12小时混匀。其后将浆体取出并在100℃烘干箱中干燥24小时，获得干燥的混合粉体。
步骤2：将干燥的混合粉体放于微波设备中，通入纯度≥99.99％氮气。
步骤3：通入氮气5min后，打开微波感应开关进行感应加热高温烧结，微波功率2000W，烧结温度可达到1300℃，烧结保温时间为25min。加热结束后，关闭微波感应设备，继续通入氮气5min后，停止氮气通入。冷却后得到纯度较高的α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体。
通过X射线衍射仪对制备的粉体进行成分分析，所得结果如图3所示。其粉体成分主要是α-Si3N4和SiC，纯度较高。更多的氯化铵添加促进了Si与氮气的反应，使更多的Si氮化为α-Si3N4，因此粉体中的α-Si3N4纯度更高。
实施例3
本实施例如实施例1和2，其工艺过程如图1所示，步骤如下：
将70g多晶硅切割废料粉体和30g氯化铵粉体放于混匀机中，并添加6倍混合粉量的水进行混匀10小时混匀。其后将浆体取出并在100℃烘干箱中干燥18小时，获得干燥的混合粉体。将干燥的混合粉体放于微波感应设备中，通入纯度≥99.99％的氮气。
通入氮气5min后进行微波感应加热高温烧结，微波功率2500W，烧结温度1400℃，烧结保温时间为35min。加热结束后关闭微波感应设备，继续通入氮气5min后停止。冷却后得到α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体。经X射线衍射仪对粉体的成分分析，其粉体成分主要为α-Si3N4和SiC，仅有少量可忽略不计的Fe2O3出现。
本发明的有益效果还在于：
由于采用多晶硅切割废料为废弃物回收利用，其来源广泛，价格低廉。
本发明所采用微波感应加热多晶硅废料合成α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体，由于能够在短时间内由内向外快速升温，因此而避免了常规方式中外部辐射加热方式所带来的升温不均匀的缺点，保证了混合粉体的纯度。
本发明采用的微波感应加热技术加热速率迅速，加热时间短，生产周期短，不消耗煤、油等能源，从而极大降低了能源的损耗。
本发明的操作方法简单易行，生产周期短，能够极大地降低生产成本，具有显著的经济效益和社会效益。
本发明极大地降低了生产成本，且操作方法简单易行，具有广泛的推广价值和显著的经济效益和社会效益。
本发明的上述各个实施例仅仅是示例性的，在不脱离本发明设计原理的情况下，可对这些实施例进行各种改变，这些改变应被视为在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (3)

1.一种α-Si3N4/SiC耐火材料复合粉体制备方法，其特征在于，采用多晶硅切割废料为原料，采用微波感应加热合成α-Si3N4/SiC复合粉体，制备步骤如下：
1)混匀与干燥，将所述多晶硅切割废料与氯化铵置于混匀机中，添加足量的水充分混匀成浆料，混匀后将所述浆料在干燥设备中烘干，制得多晶硅切割废料与氯化铵混合粉体；其中，
所述氯化铵的加入量以重量百分比计为所述混合粉体总重量的20～60％，所述水的加入量与所述混合粉体的比例按照液体体积与固体质量比为5：1～7：1；
2)微波烧结，将所述混合粉体置于密闭微波感应加热设备中，通入高纯度氮气，进行微波感应加热高温烧结；所述混合粉体在高温烧结后进行保温和冷却，得到α-Si3N4/SiC复合粉体；其中，
所述高纯度氮气在微波感应加热前5min通入，在微波感应加热结束后持续通入5min后关闭；
所述多晶硅切割废料与氯化铵混匀成浆料的时间为8～12小时；所述浆料的烘干温度为90～120℃，烘干时间12～24小时；
所述微波感应加热的功率为1000～3000W，所述混合粉体的高温烧结温度为1300～1400℃，烧结保温时间为10～40分钟。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高纯度氮气的纯度为≥99.99％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯化铵的加入量以重量百分比计为所述混合粉体总重量的20～40％。
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