CN115432675A - 一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序(1)、前驱体收集工序(2)、脱卤工序(3)、深度脱卤工序(4)、分解工序(5)、晶化工序(6)、冷却工序(7)和副产物收集工序(8)，可制备杂质含量低、α相含量高、粒径细且分布窄的高质量氮化硅粉体。本发明解决了传统硅胺前驱体转化法中气相合成路线难以获得低氯含量氮化硅粉体的难题，同时与传统溶剂热液相合成法和硅胺前驱体液相合成法相比，本发明可解决前驱体吸湿防护难的问题，并且能够实现连续批量化制备高质量氮化硅粉体，生产效率高，成本低。
Description
技术领域
本发明属于化工、材料领域，涉及粉体的制备方法，特别是一种高质量氮化硅(Si3N4)粉体的制备工艺。
背景技术
Si3N4陶瓷被誉为“全能陶瓷”，在机械加工、航空航天、电子信息、生物材料等领域具有广泛的应用。高质量Si3N4粉体是制备高性能Si3N4陶瓷的基础，且粉体占据了陶瓷成本的1/3～2/3。高质量粉体需要粒径约0.4～1.5μm，α相含量>95％，O含量<0.9wt.％，C含量<0.2wt.％，Cl含量<100ppm，金属杂质<500ppm。经过几十年的不断研发，目前制备Si3N4粉体主要有以下几大类方法：
(1)SiO2的碳热氮化法(3SiO2(s)+2N2(g)+6C(s)＝Si3N4(s)+6CO(g))。该反应为典型的固相氮化反应，扩散传质是整个反应的限制步骤。这就导致粉体氧含量非常高，一般大于5.0wt.％，且产物物相不纯，通常含有SiC，SiOyNz，以及残留的SiO2和游离C。尽管，反复破碎并反复氮化可以在一定程度降低粉体的O杂质，但是粉体中仍然含有SiC和C等杂相(J.Am.Ceram.Soc.,1996,82,1635)。此外，由于Si3N4硬度大，破碎过程中会引入杂质，而且也难以将粉体的粒径降低到1.0μm以下。
(2)Si粉直接氮化法(3Si(s)+2N2(g)＝Si3N4(s))。该反应为强放热反应，工业上常采用自蔓延燃烧技术合成Si3N4粉体。然而，由于该反应仍然存在传质屏障，且温度梯度大，获得含游离Si的Si3N4块体，且产物中α含量通常小于70％。尽管提升应容器中N2的压力(约10MPa)或高能球磨能够强化传质，减少游离Si的含量，但无法避免游离Si。此外，大量研究采用添加“稀释剂”来调控合成温度，尽管可以将α相含量提升到约90％，但是α相含量也难以大于95％，不满足高质量粉体要求。
(3)化学气相沉积法。通常SiCl4-N2-H2/NH3和SiHCl3 N2-H2/NH3体系需要高能等离子体辅助才能合成粉体(US 4416863)。但是合成的粉体非α相粉体，而是β相粉体。为解决该问题，德国巴斯夫公司开发出无定型种子粉体(BET>50m2/g)辅助流化和强化沉积的流态化气相合成法(US 4859443)，在500～1500℃制备出了包覆结构的无定型Si3N4粉体以及α相与β相的混合Si3N4粉体。但是，粉体中α相含量较少，且其中Cl杂质含量较高(>1.0wt％)，不满足高质量粉体的要求。相比较而言，SiH4和NH3反应更容易合成粉体(3SiH4(g)+4NH3(g)＝Si3N4(s)+12H2(g))。但是，合成的无定型粉体晶化后为Si3N4粉体，而不是α相粉体(US4122155，US4929432,无机材料学报，2006，21，41；浙江理工大学学报，2007，24，36)。同时，粉体中含有大量游离Si，不满足高质量粉体的要求。此外，SiH4是有毒的危害性气体，且易燃易爆，约45％的事故发生在工艺阶段，21％的事故发生换瓶时。因此，化学气相沉积制备高质量Si3N4粉体也还面临较大挑战。
(4)硅胺前驱体转化法，即SiCl4和NH3首先在低温下合成硅胺前驱体Si(NH2)4或Si(NH)2，然后分离出副产物，最后晶化合成Si3N4粉体。日本宇部(US 4405589，5585084，5595718)，日本东洋曹达制造有限公司(US 4387079)，美国空军(US 3959446)开发的低温液相合成工艺获得了α相>95％，BET为约6m2/g，且Cl<100ppm的高纯超细Si3N4粉体(>99.95％)。但是，该工艺反应条件非常苛刻，且难以连续批量化进行，必须间歇生产，导致粉体产量小，效率低。
综上所述，SiO2的碳热氮化法、Si粉直接氮化法，以及化学气相沉积法都难以制备出高质量Si3N4粉体。溶剂热液相合成法和硅胺前驱体转化法虽然能制备出较高质量Si3N4粉体，但是合成粉体的产量小、效率低、成本高，限制了高质量氮化硅粉体的应用范围。连续化生产可以有效解决间歇生产中的吸湿防护问题，从而降低成本。因此，本领域亟需开发一种低成本、高效率、连续化批量生产高质量Si3N4粉体的方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，可实现连续规模化生产高质量Si3N4粉体，提高效率和产量，降低成本。
为了达到这些目的，本发明采用以下技术方案：
一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序、前驱体收集工序、脱卤工序、分解工序、冷却工序和副产物收集工序；
硅源气体和氮源气体在撞击流反应工序中对撞合成前驱体粉体，撞击流反应工序合成的前驱体随高速气体进入前驱体收集工序，在前驱体收集工序中分离出的前驱体进入脱卤工序，在脱卤工序中副产物分解进入副产物收集工序实现副产物的分离和收集；脱卤工序出来的前驱体进入分解工序，分解工序出来的粉体进入冷却工序快速降温，获得冷却的氮化硅粉体。
进一步地，所述方法还包括深度脱卤工序和/或晶化工序；
脱卤工序出来的前驱体可先进入深度脱卤工序，再进入分解工序；
分解工序出来的粉体可先进入晶化工序，再进入冷却工序。
具体地，一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序、前驱体收集工序、脱卤工序、深度脱卤工序、分解工序、晶化工序、冷却工序和副产物收集工序。
进一步地，所述方法的具体步骤包括：
1)硅源气体和氮源气体在撞击流反应工序中实现高速对撞并快速合成前驱体粉体；
2)从撞击流反应工序出来的前驱体和高速气体在前驱体收集工序中降速并实现气固分离；
3)从前驱体收集工序分离出的前驱体粉体进入脱卤工序，在脱卤工序中前驱体中的副产物分解，且分解的气相副产物进入副产物收集工序，在副产物进入副产物收集工序中快速降温，完成副产物的分离和收集；
4)脱卤工序中脱除副产物的前驱体粉体进入深度脱卤工序，彻底脱除前驱体中的卤杂质；
5)深度脱卤工序中脱除卤杂质的前驱体粉体进入分解工序，在分解工序中实现前驱体分解并转化成非晶氮化硅粉体；
6)分解工序中分解后的无定型非晶氮化硅进入晶化工序，在晶化工序中实现非晶氮化硅粉体的结晶；
7)晶化工序中晶化后粉体进入冷却工序，在流化气的作用下快速降温，获得冷却的氮化硅粉体；
8)冷却工序的部分粉体进入晶化工序或分解工序中强化前驱体的流化和晶化。
可选地，所述脱卤工序中脱除副产物的物料不进入深度脱卤工序，直接进入分解工序。
可选地，所述分解工序获得的非晶氮化硅粉体不进入晶化工序，直接进入冷却工序。
进一步地，所述方法还包括以下步骤：
冷流化气进入晶化工序和/或冷却工序促进氮化硅粉体的晶化并完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；
前驱体收集工序排出的气体进入晶化工序、冷却工序、分解工序、深度脱卤工序、脱卤工序和副产物收集工序中的一个工序或多个工序，实现气氛保护以及气体的循环利用，同时实现显热与潜热的回收利用；
冷却工序排出的气体经过分离后进入晶化工序和/或分解工序，对前驱体粉体进行气氛保护和促进晶化或促进分解，晶化工序排出的气体经过分离后进入分解工序，分解工序排出的气体经过分离后进入深度脱卤工序或脱卤工序，实现前驱体的快速脱卤杂质，深度脱卤工序排出的气体经过分离后进入脱卤工序，脱卤工序排出的气体进入副产物收集工序后快速降温，实现卤化铵的收集。
优选地，所述的脱卤工序和所述的深度脱卤工序的加热装置为常规电阻加热和/或微波加热。
优选地，所述硅源气体为SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiBr4等常见硅的卤化物中任意一种与N2或Ar的混合气体；所述氮源气体为NH3与N2或Ar的混合气体；所述流化气体为含有H2或NH3的N2混合气体，或者含有H2或NH3的Ar混合气体。
本发明中，所述的撞击流反应工序由撞击流反应器完成，实现前驱体的快速高效合成；所述的前驱体收集工序由1-3级旋风分离器串联完成；所述的脱卤工序由流态化反应炉完成，实现前驱体中副产物卤化铵的脱除；所述的深度脱卤工序由流态化反应炉完成，实现前驱体中卤杂质的脱除；所述的分解工序由流态化反应炉或固定床完成，实现前驱体的分解并合成非晶氮化硅粉体；所述的晶化工序由流态化反应炉或固定床完成，实现非晶氮化硅粉体的晶化；所述的冷却工序由1-3级旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现氮化硅粉体的冷却；所述的副产物收集工序由1-3级降温旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现副产物卤化铵的分离与收集；所述的副产物收集工序排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用；所述前驱体收集工序、脱卤工序、深度脱卤工序、分解工序、晶化工序和冷却工序中排出的气体分离采用1-3级旋风分离器串联完成。
根据本发明的优选实施例，一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，包括撞击流反应工序、前驱体收集工序、脱卤工序、深度脱卤工序、分解工序、晶化工序、冷却工序和副产物收集工序八个工序，按照顺序完成。
所述的撞击流反应工序由同轴倾斜撞击流反应器完成，实现前驱体的快速高效合成；
所述的前驱体收集工序由2级旋风分离器串联完成；
所述的脱卤工序由流态化反应炉完成，实现前驱体中副产物卤化铵的脱除，可选地，在流态化反应炉中设有搅拌桨；
所述的深度脱卤工序由锥形流态化反应炉完成，实现前驱体中卤杂质的脱除；
所述的分解工序由柱形流态化反应炉完成，实现前驱体的分解并合成非晶氮化硅粉体，可选地，由固定床完成；
所述的晶化工序由固定床完成，实现非晶氮化硅粉体的晶化，可选地，由流态化反应炉完成；
所述的冷却工序由1-3级旋风筒换热器串联完成，实现氮化硅粉体的冷却，可选地，采用流化床换热器完成，可选地，采用旋风筒换热器和流化床换热器组合完成；
所述的副产物收集工序由1-3级降温旋风筒换热器串联完成，可选地，采用水冷降温旋风筒换热器完成，可选地，采用液氮降温旋风筒换热器完成。
本发明所述的撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，流化气和排出的气体按以下步骤进行：
冷流化气进入冷却工序完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；前驱体收集工序排出的气体经过分离进入冷却工序实现气氛保护以及气体的循环利用，同时实现显热与潜热的回收利用；
冷却工序排出的气体经过分离后进入晶化工序，对前驱体粉体进行气氛保护和促进晶化，晶化工序排出的气体经过分离后进入分解工序，分解工序排出的气体经过分离后进入深度脱卤工序，实现前驱体的快速脱卤杂质，深度脱卤工序排出的气体经过分离后进入脱卤工序，脱卤工序排出的气体进入副产物收集工序后快速降温，实现卤化铵的收集，副产物收集工序排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
与传统SiO2的碳热氮化法和Si粉直接氮化法相比，本发明制备的氮化硅粉体纯度和α物相含量更高，粒径更细；与传统化学气相沉积法相比，本发明制备的氮化硅粉体效率和α物相含量更高；与硅胺前驱体转化法中气相合成路线相比，本发明攻克了难以合成氯杂质含量低的氮化硅粉体难题，且与传统溶剂热液相合成法和硅胺前驱体转化法中液相合成路线相比，本发明可实现连续批量化制备高质量氮化硅粉体，生产效率更高，能够大幅度降低高质量氮化硅粉体的价格，扩展粉体的应用范围。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步阐释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例1所述的撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法示意图；
图2为本发明实施例2所述的撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法示意图；
图3为本发明实施例3所述的撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法示意图；
图4为本发明实施例4所述的撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法示意图；
附图标记：撞击流反应工序1、前驱体收集工序2、脱卤工序3、深度脱卤工序4、分解工序5、晶化工序6、冷却工序7和副产物收集工序8。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序1、前驱体收集工序2、脱卤工序3、深度脱卤工序4、分解工序5、晶化工序6、冷却工序7和副产物收集工序8；
撞击流反应工序1由同轴倾斜撞击流反应器完成；前驱体收集工序2由3级旋风分离器串联完成；脱卤工序3由文丘里流态化反应炉完成；深度脱卤工序4由锥形流态化反应炉完成；分解工序5由柱形流态化反应炉完成；晶化工序6由固定床完成；冷却工序7由3级旋风筒换热器串联完成；副产物收集工序8由2级水冷降温旋风筒换热器串联完成。
按图1所示流程。SiCl4和N2的混合气体作为硅源气体与NH3和N2的混合气体作为氮源气体在撞击流反应工序1中发生对撞合成前驱体粉体，合成的前驱体粉体随气流在前驱体收集工序2中分离出前驱体粉体，分离出的前驱体粉体在脱卤工序3中发生副产物NH4Cl的分解反应，分解产生的气体随气流进入副产物收集工序8并快速冷却，实现副产物的分离和收集；从脱卤工序3出来的前驱体粉体进入深度脱卤工序4，在深度脱卤工序4中发生脱氯反应，脱除Cl杂质；脱完Cl杂质的前驱体进入分解工序5发生分解反应合成无定型的氮化硅粉体，然后无定型的氮化硅粉体进入晶化工序6转化成α相氮化硅粉体，晶化后的α相氮化硅粉体进入冷却工序7，最终获得所需要的冷却产物；产物质量的约十分之一的进入晶化工序6强化流化和晶化。
冷N2流化气进入冷却工序7完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；前驱体收集工序2排出的气体进入冷却工序7实现气氛保护以及气体的循环利用，同时实现显热与潜热的回收利用；冷却工序7排出的气体经过3级旋风分离器串联分离后进入晶化工序6，对前驱体粉体进行气氛保护和促进晶化，晶化工序6排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入分解工序5，分解工序5排出的气体经过1级旋风分离器串联分离后进入深度脱卤工序4，实现前驱体的快速脱卤杂质，深度脱卤工序4排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入脱卤工序3，脱卤工序3排出的气体经过3级旋风分离器串联进入副产物收集工序8后快速降温，实现卤化铵的收集，副产物收集工序8排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，撞击流反应工序1的温度为室温，脱卤工序3加热方式为微波加热，温度为450℃，深度脱卤工序4为电阻加热，温度为800℃，分解工序5的温度为1000℃，晶化工序6的温度为1350℃，从冷却工序7出料为高质量α相的氮化硅粉体，其中α相含量>95％，O杂质约0.83wt％，Cl杂质约71ppm。
实施例2
如图2所示，一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序1、前驱体收集工序2、脱卤工序3、深度脱卤工序4、分解工序5、晶化工序6、冷却工序7和副产物收集工序8；
撞击流反应工序1由曲线同轴撞击流反应器完成；前驱体收集工序2由2级旋风分离器完成；脱卤工序3由为含有搅拌桨的柱形流态化反应炉完成；深度脱卤工序4由流态化反应炉完成；分解工序5由固定床完成；晶化工序6由流化床完成；冷却工序7由1级旋风筒换热器和流化床换热器串联完成；副产物收集工序8由水冷降温旋风筒换热器和流化床换热器串联完成。
按图2所示流程。SiHCl3和Ar的混合气体作为硅源气体与NH3和H2的混合气体作为氮源气体在撞击流反应工序1中发生对撞合成前驱体粉体，合成的前驱体粉体随气流在前驱体收集工序2中分离出前驱体粉体，分离出的前驱体粉体在脱卤工序3中发生副产物NH4Cl的分解反应，分解产生的气体随气流进入副产物收集工序8并快速冷却，实现副产物的分离和收集；从脱卤工序3出来的前驱体粉体进入深度脱卤工序4，在深度脱卤工序4中发生脱氯反应，脱除Cl杂质；脱完Cl杂质的前驱体进入分解工序5发生分解反应合成无定型的氮化硅粉体，然后无定型的氮化硅粉体进入晶化工序6转化成α相氮化硅粉体，晶化后的α相氮化硅粉体进入冷却工序7，最终获得所需要的冷却产物。
冷Ar-1.0v％NH3流化气进入冷却工序7完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热，冷流化气进入分解工序5实现对前驱体粉体的气氛保护和促进分解；前驱体收集工序2排出的气体进入冷却工序7实现气氛保护以及气体的循环利用，同时实现显热与潜热的回收利用；冷却工序7排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入晶化工序6和分解工序5，对前驱体粉体进行气氛保护和促进晶化以及促进分解，晶化工序6和分解工序5排出的气体经过3级旋风分离器串联分离后进入深度脱卤工序4，实现前驱体的快速脱卤杂质，深度脱卤工序4排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入脱卤工序3，脱卤工序3排出的气体3级旋风分离器串联进入副产物收集工序8后快速降温，实现卤化铵的收集，副产物收集工序8排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，撞击流反应工序1的温度为-10℃，脱卤工序3加热方式为电阻加热，温度为550℃，深度脱卤工序4为微波加热和电阻加热组合，温度为850℃，分解工序5的温度为1100℃，晶化工序6的温度为1450℃，从冷却工序7出料为高质量α相的氮化硅粉体，其中α相含量>95％，O杂质约0.72wt％，Cl杂质约60ppm。
实施例3
如图3所示，一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序1、前驱体收集工序2、脱卤工序3、分解工序5、晶化工序6、冷却工序7和副产物收集工序8；
撞击流反应工序1由偏心逆流撞击流反应器完成；前驱体收集工序2由1级旋风分离器完成；脱卤工序3由为由流态化反应炉完成；分解工序5由柱形流态化反应炉完成；晶化工序6由固定床完成；冷却工序7由2级旋风筒换热器完成；副产物收集工序8由液氮降温旋风筒换热器完成。
按图3所示流程。SiBr4和N2的混合气体作为硅源气体与NH3和Ar的混合气体作为氮源气体在撞击流反应工序1中发生对撞合成前驱体粉体，合成的前驱体粉体随气流在前驱体收集工序2中分离出前驱体粉体，分离出的前驱体粉体在脱卤工序3中发生副产物NH4Br的分解反应，分解产生的气体随气流进入副产物收集工序8并快速冷却，实现副产物的分离和收集；从脱卤工序3出来的前驱体粉体进入分解工序5发生分解反应合成无定型的氮化硅粉体，然后无定型的氮化硅粉体进入晶化工序6转化成α相氮化硅粉体，晶化后的α相氮化硅粉体进入冷却工序7，最终获得所需要的冷却产物；产物质量的约十分之一的进入分解工序5强化流化。
冷N2-2v％H2流化气进入冷却工序7完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；前驱体收集工序2排出的气体进入分解工序5，实现气氛保护以及气体的循环利用；冷却工序7排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入晶化工序6，对前驱体粉体进行气氛保护和促进晶化，晶化工序6排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入分解工序5，分解工序5排出的气体经过3级旋风分离器串联分离后进入脱卤工序3，脱卤工序3排出的气体2级旋风分离器串联进入副产物收集工序8后快速降温，实现卤化铵的收集，副产物收集工序8排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，撞击流反应工序1的温度为80℃，脱卤工序3加热方式为微波加热和电阻加热组合，温度为400℃，深度脱卤工序4为电阻加热，温度为650℃，分解工序5的温度为900℃，晶化工序6的温度为1500℃，从冷却工序7出料为高质量α相的氮化硅粉体，其中α相含量>95％，O杂质约0.72wt％，平均粒径约0.68μm。
实施例4
如图4所示，一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序1、前驱体收集工序2、脱卤工序3、深度脱卤工序4、分解工序5、冷却工序7和副产物收集工序8；
撞击流反应工序1由环流撞击流反应器完成；前驱体收集工序2由3级旋风分离器串联完成；脱卤工序3由流态化反应炉完成；深度脱卤工序4由含有搅拌桨的柱形流态化反应炉完成；分解工序5由流态化反应炉完成；冷却工序7由2级流化床热器串联完成；副产物收集工序8由2流化床换热器串联完成。
按图4所示流程。SiCl4、SiHCl3和N2的混合气体作为硅源气体与NH3和N2的混合气体作为氮源气体在撞击流反应工序1中发生对撞合成前驱体粉体，合成的前驱体粉体随气流在前驱体收集工序2中分离出前驱体粉体，分离出的前驱体粉体在脱卤工序3中发生副产物NH4Cl的分解反应，分解产生的气体随气流进入副产物收集工序8并快速冷却，实现副产物的分离和收集；从脱卤工序3出来的前驱体粉体进入深度脱卤工序4，在深度脱卤工序4中发生脱氯反应，脱除Cl杂质；脱完Cl杂质的前驱体进入分解工序5发生分解反应合成无定型的氮化硅粉体，然后无定型的氮化硅粉体进入冷却工序7，最终获得所需要的冷却产物。
冷N2-30 v％Ar流化气进入冷却工序7完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；前驱体收集工序2排出的气体进入副产物收集工序8，加速副产物收集工序8的降温和气体的循环利用；冷却工序7排出的气体经过1级旋风分离器串联分离后进入分解工序5，分解工序5排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入深度脱卤工序4，实现前驱体的快速脱卤杂质，深度脱卤工序4排出的气体经过2级旋风分离器串联分离后进入脱卤工序3，脱卤工序3排出的气体2级旋风分离器串联进入副产物收集工序8后快速降温，实现卤化铵的收集，副产物收集工序8排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用。
本实施例中，撞击流反应工序1的温度为40℃，脱卤工序3加热方式为电阻热加热，温度为600℃，深度脱卤工序4为电阻加热，温度为700℃，分解工序5的温度为1200℃，从冷却工序7出料为无定型的氮化硅粉体，平均粒径约0.54μm，Cl杂质约91ppm。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括撞击流反应工序(1)、前驱体收集工序(2)、脱卤工序(3)、分解工序(5)、冷却工序(7)和副产物收集工序(8)；
硅源气体和氮源气体在撞击流反应工序(1)中对撞合成前驱体粉体，撞击流反应工序(1)合成的前驱体随高速气体进入前驱体收集工序(2)，在前驱体收集工序(2)中分离出的前驱体进入脱卤工序(3)，在脱卤工序(3)中副产物分解进入副产物收集工序(8)实现副产物的分离和收集；脱卤工序(3)出来的前驱体进入分解工序(5)，分解工序(5)出来的粉体进入冷却工序(7)快速降温，获得冷却的氮化硅粉体。
2.根据权利要求1所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，冷流化气进入冷却工序(7)完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；
前驱体收集工序(2)排出的气体进入冷却工序(7)、分解工序(5)、脱卤工序(3)和副产物收集工序(8)中的一个工序或多个工序，实现气氛保护以及气体的循环利用，同时实现显热与潜热的回收利用；
冷却工序(7)排出的气体经过分离后进入分解工序(5)，对前驱体粉体进行气氛保护和促进分解，分解工序(5)排出的气体经过分离后进入脱卤工序(3)，实现前驱体的快速脱卤杂质，脱卤工序(3)排出的气体进入副产物收集工序(8)后快速降温，实现卤化铵的收集。
3.根据权利要求1所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，所述的撞击流反应工序(1)由撞击流反应器完成，实现前驱体的快速高效合成；所述的前驱体收集工序(2)由1-3级旋风分离器串联完成；所述的脱卤工序(3)由流态化反应炉完成，实现前驱体中副产物卤化铵的脱除；所述的分解工序(5)由流态化反应炉或固定床完成，实现前驱体的分解并合成非晶氮化硅粉体；所述的冷却工序(7)由1-3级旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现氮化硅粉体的冷却；所述的副产物收集工序(8)由1-3级降温旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现副产物卤化铵的分离与收集；所述的副产物收集工序(8)排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用；所述前驱体收集工序(2)、脱卤工序(3)、分解工序(5)、冷却工序(7)中排出的气体分离采用1-3级旋风分离器串联完成。
4.根据权利要求1所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，所述方法还包括深度脱卤工序(4)和/或晶化工序(6)；
脱卤工序(3)出来的前驱体先进入深度脱卤工序(4)，再进入分解工序(5)；
分解工序(5)出来的粉体先进入晶化工序(6)，再进入冷却工序(7)。
5.根据权利要求4所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，冷流化气进入晶化工序(6)和/或冷却工序(7)促进氮化硅粉体的晶化并完成与高温氮化硅粉体的热交换，实现对氮化硅粉体的气氛保护以及对流化气的预热；
前驱体收集工序(2)排出的气体进入晶化工序(6)、冷却工序(7)、分解工序(5)、深度脱卤工序(4)、脱卤工序(3)和副产物收集工序(8)中的一个工序或多个工序，实现气氛保护以及气体的循环利用，同时实现显热与潜热的回收利用；
冷却工序(7)排出的气体经过分离后进入晶化工序(6)和/或分解工序(5)，对前驱体粉体进行气氛保护和促进晶化或促进分解，晶化工序(6)排出的气体经过分离后进入分解工序(5)，分解工序(5)排出的气体经过分离后进入深度脱卤工序(4)或脱卤工序(3)，实现前驱体的快速脱卤杂质，深度脱卤工序(4)排出的气体经过分离后进入脱卤工序(3)，脱卤工序(3)排出的气体进入副产物收集工序(8)后快速降温，实现卤化铵的收集。
6.根据权利要求4所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，所述的撞击流反应工序(1)由撞击流反应器完成，实现前驱体的快速高效合成；所述的前驱体收集工序(2)由1-3级旋风分离器串联完成；所述的脱卤工序(3)由流态化反应炉完成，实现前驱体中副产物卤化铵的脱除；所述的深度脱卤工序(4)由流态化反应炉完成，实现前驱体中卤杂质的脱除；所述的分解工序(5)由流态化反应炉或固定床完成，实现前驱体的分解并合成非晶氮化硅粉体；所述的晶化工序(6)由流态化反应炉或固定床完成，实现非晶氮化硅粉体的晶化；所述的冷却工序(7)由1-3级旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现氮化硅粉体的冷却；所述的副产物收集工序(8)由1-3级降温旋风筒换热器和/或流化床换热器串联完成，实现副产物卤化铵的分离与收集；所述的副产物收集工序(8)排除的尾气由气体压缩泵完成收集和循环利用；所述前驱体收集工序(2)、脱卤工序(3)、深度脱卤工序(4)、分解工序(5)、晶化工序(6)和冷却工序(7)中排出的气体分离采用1-3级旋风分离器串联完成。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，冷却工序(7)的部分冷却氮化硅粉体进入晶化工序(6)和/或分解工序(5)中强化前驱体的流化和晶化。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，所述的脱卤工序(3)和深度脱卤工序(4)的加热装置为常规电阻加热和/或微波加热。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，所述硅源气体为SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiBr4中任意一种与N2或Ar的混合气体；所述氮源气体为NH3与N2或Ar的混合气体；所述流化气体为H2或NH3与N2的混合气体，或者H2或NH3与Ar的混合气体。
10.根据权利要求1-6任一项所述的一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，其特征在于，撞击流反应工序(1)的温度为-10℃-80℃，脱卤工序(3)的温度为400℃-600℃，深度脱卤工序(4)的温度为650℃-850℃，分解工序(5)的温度为900℃-1200℃，晶化工序(6)的温度为1350℃-1500℃。
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