CN115432677B - 一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的系统及方法 - 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系统及方法。气相硅源和氨气在导流反应器中高速撞击并发生反应，然后依次在流化床中经过脱卤、深度脱卤、分解、晶化等步骤可制备杂质含量低、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的氮化硅粉体的难题，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，成本更低。
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系统及方法，通过在导流反应管中气相硅源和氨气高速对撞合成前驱体，然后分级脱卤，分解以及晶化，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：
本发明提供了一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的系统，所述系统包括：
第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3、反应导流管2、硅源蒸发装置3、第一导气管4、第二导气管5、前驱体合成控温器6、前驱体收集装置7、第一旋风分离装置8、尾气回收压缩装置9、能源供给装置10、脱卤流化床11、加热导管12、第二旋风分离装置13、卤化铵收集装置14、深度脱卤流化床15、酸性气体处理器16、晶化装置17、氮化硅粉体收集装置18；
Ar或者N2的气源与所述第一气体净化器1-1的进气口通过管道和气阀相连接；所述第一气体净化器1-1的出气口与所述反应导流管2的进气口通过管道和气阀相连接；所述第一气体净化器1-1的出气口与所述硅源蒸发装置3的进气口通过管道和气阀相连接；所述硅源蒸发装置3的出气口与所述第一导气管4的进气口通过管道和气阀相连接；NH3的气源与所述第二气体净化器1-2的进气口通过管道和气阀相连接；所述第二气体净化器1-2的出气口与所述第二导气管5的进气口通过管道和气阀相连接；所述反应导流管2、第一导气管4以及第二导气管5配有前驱体合成控温器6；所述反应导流管2的出料口与所述前驱体收集装置7的进料口通过管道相连接；所述前驱体收集装置7的出气口与所述第一旋风分离装置8的进气口通过管道相连接；所述第一旋风分离装置8顶部的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；
所述第一旋风分离装置8底部的出料口与所述前驱体收集装置7下部的进料口通过管道相连接；所述前驱体收集装置7底部的出料口与所述脱卤流化床11上部的进料口通过管道和料阀相连接；所述脱卤流化床11配有能源供给装置10；所述脱卤流化床11顶部出气口与所述第二旋风分离装置13的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置13顶部的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置13下部的出料口与所述卤化铵收集装置14的进料口通过管道和料阀相连接；所述脱卤流化床11底部的进气口与所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3的出气口通过管道和气阀相连接；
所述脱卤流化床11下部的出料口与所述深度脱卤流化床15上部的进料口通过管道和料阀相连接；所述深度脱卤流化床15顶部的出气口与所述酸性气体处理器16的进气口通过管道相连接；所述酸性气体处理器16的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；所述深度脱卤流化床15底部的进气口与所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3的出气口通过管道和气阀相连接；
所述深度脱卤流化床15下部的出料口与所述晶化装置17进料口通过管道和料阀相连接；所述晶化装置17的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；所述晶化装置17底部的进气口与所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3的出气口通过管道和气阀相连接；所述晶化装置17的出料口与所述氮化硅粉体收集装置18通过管道和气阀相连接。
本发明基于上述系统制备高质量氮化硅粉体的方法包括以下步骤：
净化后的Ar或N2通过管道和气阀进入所述反应导流管2中清洗反应器，随后，Ar或N2携带所述硅源蒸发装置3中的硅源气体和一定量的Ar或N2进入所述第一导气管4中，同时，NH3和一定量的Ar或N2进入所述第二导气管5中，在所述前驱体合成控温器6设定的温度范围内发生反应，合成的前驱体随所述反应导流管2的出料口进入所述前驱体收集装置7中，部分细粉随尾气进入所述第一旋风分离装置8中，经过气固分离后，尾气随管道进入所述尾气回收压缩装置9实现回收利用，细粉通过所述第一旋风分离装置8底部的出料口进入所述前驱体收集装置7；
所述前驱体收集装置7中的物料通过管道和料阀进入所述脱卤流化床11，同时一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述脱卤流化床11，并确保其中物料处于流化状态，在所述能源供给装置10的作用下，脱除所述脱卤流化床11中物料中的卤化铵的副产物，并随尾气经过加热导管12进入所述第二旋风分离装置13中，经过冷凝结晶后卤化铵固体颗粒进入所述卤化铵收集装置14，同时尾气进入所述尾气回收压缩装置9，实现尾气的回收再利用；
所述脱卤流化床11中的脱卤后的物料经过管道和料阀进入所述深度脱卤流化床15中，同时，一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述深度脱卤流化床15中，并确保其中物料处于流化状态，在一定温度范围内，所述深度脱卤流化床15中的物料深度脱卤，产生的尾气经过所述酸性气体处理器16后进入所述尾气回收压缩装置9，实现尾气的回收再利用；所述深度脱卤流化床15中的物料脱卤后经过管道和料阀进入所述晶化装置17中，同时，一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述晶化装置18中，在一定温度范围进行晶化一定时间，晶化后的物料通过管道和料阀进入所述氮化硅粉体收集装置18获得产品，尾气进入所述尾气回收压缩装置9，实现尾气的回收再利用。
优选地，Ar、N2、NH3和H2纯度均大于99.9％，且经过所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3处理后氧和水蒸汽含量均小于500ppm。
第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3分别与相应气源的出气口连通。
优选地，所述硅源蒸发装置3中的硅源为纯度大于99.9％的SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiBr4和SiF4等常见硅的卤化物中的任意一种或任意比例组合，且所述硅源蒸发装置3的温度为-10～100℃。
优选地，所述第一导气管4出气口速度和所述第二导气管5出气口速度均大于等于10.0m/s，且所述第二导气管5中单位时间流出的NH3与所述第一导气管4出气口中单位时间流出气相硅源的摩尔比大于等于6，同时所述前驱体合成控温器6保持所述反应导流管2中反应合成温度为-10～150℃，反应时间为1～300min。
优选地，所述能源供给装置10为常规电阻加热或微波加热的任意一种或两种加热方式的组合。
优选地，所述脱卤流化床11中物料温度范围为350～800℃，流化气体为Ar、N2、NH3和H2的任意一种或任意比例组合，且物料停留时间为3～300min。
优选地，所述深度脱卤流化床15温度为600～1200℃，流化气体为Ar、N2、NH3和H2的任意一种或任意比例组合，物料停留时间为10～300min。
优选地，所述晶化装置17内壁为高纯石墨、氮化硅、碳化硅和氮化硼等任意一种材料，所述晶化装置17的温度为1350～1600℃，所述晶化装置17中物料在床层中堆积密度大于等于0.2g/cm3，物料停留时间为10～180min，其中气体为Ar、N2、NH3和H2气体的任意一种或任意比例组合。
优选地，卤化铵为氯化铵或溴化铵。
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Cl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为本发明制备高质量氮化硅粉体的制备系统配置示意图；
图2为实施例3制备氮化硅粉体的XRD图；
图3为实施例4制备氮化硅粉体的SEM图；
图4为实施例5制备氮化硅粉体的SEM图；
附图标记：
1-1、第一气体净化器；1-2、第二气体净化器；1-3、第三气体净化器；2、反应导流管；3、硅源蒸发装置；4、第一导气管；5、第二导气管；6、前驱体合成控温器；7、前驱体收集装置；8、第一旋风分离装置；9、尾气回收压缩装置；10、能源供给装置；11、脱卤流化床；12、加热导管；13、第二旋风分离装置；14、卤化铵收集装置；15、深度脱卤流化床；16、酸性气体处理器；17、晶化装置；18、氮化硅粉体收集装置；
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
结合图1，本实施例高质量氮化硅粉体的制备系统包括第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3、反应导流管2、硅源蒸发装置3、第一导气管4、第二导气管5、前驱体合成控温器6、前驱体收集装置7、第一旋风分离装置8、尾气回收压缩装置9、能源供给装置10、脱卤流化床11、加热导管12、第二旋风分离装置13、卤化铵收集装置14、深度脱卤流化床15、酸性气体处理器16、晶化装置17、氮化硅粉体收集装置18；
Ar或者N2与所述第一气体净化器1-1的进气口通过管道和气阀相连接；所述第一气体净化器1-1的出气口与所述反应导流管2的进气口通过管道和气阀相连接；所述第一气体净化器1-1的出气口与所述硅源蒸发装置3的进气口通过管道和气阀相连接；所述硅源蒸发装置3的出气口与所述第一导气管4的进气口通过管道和气阀相连接；NH3与所述第二气体净化器1-2的进气口通过管道和气阀相连接；所述第二气体净化器1-2的出气口与所述第二导气管5的进气口通过管道和气阀相连接；所述反应导流管2、第一导气管4以及第二导气管5配有前驱体合成控温器6；所述反应导流管2的出料口与所述前驱体收集装置7的进料口通过管道相连接；所述前驱体收集装置7的出气口与所述第一旋风分离装置8的进气口通过管道相连接；所述第一旋风分离装置8顶部的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；
所述第一旋风分离装置8底部的出料口与所述前驱体收集装置7下部的进料口通过管道相连接；所述前驱体收集装置7底部的出料口与所述脱卤流化床11上部的进料口通过管道和料阀相连接；所述脱卤流化床11配有所述能源供给装置10；所述脱卤流化床11顶部出气口与所述第二旋风分离装置13的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置13顶部的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置13下部的出料口与所述卤化铵收集装置14的进料口通过管道和料阀相连接；所述脱卤流化床11底部的进气口与所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3的出气口通过管道和气阀相连接；
所述脱卤流化床11下部的出料口与所述深度脱卤流化床15上部的进料口通过管道和料阀相连接；所述深度脱卤流化床15顶部的出气口与所述酸性气体处理器16的进气口通过管道相连接；所述酸性气体处理器16的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；所述深度脱卤流化床15底部的进气口与所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3的出气口通过管道和气阀相连接；
所述深度脱卤流化床15下部的出料口与所述晶化装置17进料口通过管道和料阀相连接；所述晶化装置17的出气口与所述尾气回收压缩装置9的进气口通过管道相连接；所述晶化装置17底部的进气口与所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3的出气口通过管道和气阀相连接；所述晶化装置17的出料口与所述氮化硅粉体收集装置18通过管道和气阀相连接。
实施例2
本实施例利用上述实施例1中系统制备高质量氮化硅粉体的方法具体包括以下步骤：
净化后的Ar或N2通过管道和气阀进入所述反应导流管2中清洗反应器，随后，Ar或N2携带所述硅源蒸发装置3中的硅源气体和一定量的Ar或N2进入所述第一导气管4中，同时，NH3和一定量的Ar或N2进入所述第二导气管5中，在所述前驱体合成控温器6设定的温度范围内发生反应，合成的前驱体随所述反应导流管2的出料口进入所述前驱体收集装置7中，部分细粉随尾气进入所述第一旋风分离装置8中，经过气固分离后，尾气随管道进入所述尾气回收压缩装置9实现回收利用，细粉通过所述第一旋风分离装置8底部的出料口进入所述前驱体收集装置7；
所述前驱体收集装置7中的物料通过管道和料阀进入所述脱卤流化床11，同时一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述脱卤流化床11，并确保其中物料处于流化状态，在所述能源供给装置10的作用下，脱除所述脱卤流化床11中物料中的卤化铵的副产物，并随尾气经过配有所述加热导管12进入所述第二旋风分离装置13中，经过冷凝结晶后卤化铵固体颗粒进入所述卤化铵收集装置14，同时尾气进入所述尾气回收压缩装置9，实现尾气的回收再利用；
所述脱卤流化床11中的脱卤后的物料经过管道和料阀进入所述深度脱卤流化床15中，同时，一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述深度脱卤流化床15中，并确保其中物料处于流化状态，在一定温度范围内，所述深度脱卤流化床15中的物料深度脱卤，产生的尾气经过所述酸性气体处理器16后进入所述尾气回收压缩装置9，实现尾气的回收再利用；所述深度脱卤流化床15中的物料脱卤后经过管道和料阀进入所述晶化装置17中，同时，一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述晶化装置18中，在一定温度范围进行晶化一定时间，晶化后的物料通过管道和料阀进入所述氮化硅粉体收集装置18获得产品，尾气进入所述尾气回收压缩装置9，实现尾气的回收再利用。
实施例3
本实施例在上述实施例2的基础上，Ar，N2，NH3，H2纯度为99.99％，且经过所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3处理后氧和水蒸汽含量均为60ppm。所述硅源蒸发装置3中的硅源为99.99％的SiCl4，所述硅源蒸发装置4的温度为-10℃。所述第一导气管4出气口速度和所述第二导气管5出气口速度均等于10.0m/s，且所述第二导气管5中单位时间流出的NH3与所述第一导气管4出气口中单位时间流出气相硅源的摩尔等于10，同时所述前驱体合成控温器6保持所述反应导流管2中反应合成温度为-5℃，合成时间为300min。所述能源供给装置10为常规电阻加热。所述脱卤流化床11中物料温度范围为800℃，流化气体为N2，物料停留时间为3min。所述深度脱卤流化床15温度为1200℃，流化气体为N2和H2的混合气体，其摩尔比为100/1，物料停留时间为10min。所述晶化装置17内壁为高纯石墨，温度为1550℃，床层中堆积密度为0.2g/cm3，物料停留时间为10min，其中气体为N2气体。图2为制备氮化硅粉体的XRD图，从图中可以看出，仅检测到α相氮化硅的衍射峰，即表明粉体中不含有β相氮化硅粉体。此外，粉体呈现六方柱形貌，粉体的平均粒径约0.65μm，粉体Cl杂质约47ppm。
实施例4
本实施例在上述实施例2的基础上，Ar，N2，NH3，H2纯度为99.999％，且经过所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3处理后氧和水蒸汽含量均为10ppm。所述硅源蒸发装置3中的硅源为99.99％的SiHCl3，所述硅源蒸发装置4的温度为50℃。所述第一导气管4出气口速度和所述第二导气管5出气口速度均等于20.0m/s，且所述第二导气管5中单位时间流出的NH3与所述第一导气管4出气口中单位时间流出气相硅源的摩尔等于8，同时所述前驱体合成控温器6保持所述反应导流管2中反应合成温度为30℃，合成时间为3min。所述能源供给装置10为微波加热。所述脱卤流化床11中物料温度范围为450℃，流化气体为含有10v％的NH3的N2，物料停留时间为300min。所述深度脱卤流化床15温度为650℃，流化气体为N2和NH3的混合气体，其摩尔比为100/1，物料停留时间为300min。所述晶化装置17内壁为碳化硅，温度为1350℃，床层中堆积密度为1.2g/cm3，物料停留时间为60min，其中气体为含有10v％的NH3的N2混合气体。图3为制备氮化硅粉体的SEM图，粉体呈现无规则状，粉体的平均粒径约0.37μm，粉体Cl杂质约70ppm，粉体中α相含量大于95％。
实施例5
本实施例在上述实施例2的基础上，Ar，N2，NH3，H2纯度为99.999％，且经过所述第一气体净化器1-1、第二气体净化器1-2、第三气体净化器1-3处理后氧和水蒸汽含量均为10ppm。所述硅源蒸发装置3中的硅源为99.99％的SiH2Cl2，所述硅源蒸发装置4的温度为80℃。所述第一导气管4出气口速度和所述第二导气管5出气口速度均等于30.0m/s，且所述第二导气管5中单位时间流出的NH3与所述第一导气管4出气口中单位时间流出气相硅源的摩尔等于6，同时所述前驱体合成控温器6保持所述反应导流管2中反应合成温度为130℃，合成时间为100min。所述能源供给装置10为电阻加热。所述脱卤流化床11中物料温度范围为650℃，流化气体为含有10v％的H2的N2，物料停留时间为150min。所述深度脱卤流化床15温度为850℃，流化气体为N2和H2的混合气体，其摩尔比为100/1，物料停留时间为100min。所述晶化装置17内壁为氮化硅，温度为1450℃，床层中堆积密度为0.8g/cm3，物料停留时间为180min，其中气体为含有10v％的NH3的Ar混合气体。图4为制备氮化硅粉体的SEM图，粉体呈现等轴六方柱形貌，粉体的平均粒径约0.57μm，粉体Cl杂质约53ppm，粉体中α相含量大于95％。
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 (9)
1.一种撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的系统，其特征在于，所述系统包括：
第一气体净化器(1-1)、第二气体净化器(1-2)、第三气体净化器(1-3)、反应导流管(2)、硅源蒸发装置(3)、第一导气管(4)、第二导气管(5)、前驱体合成控温器(6)、前驱体收集装置(7)、第一旋风分离装置(8)、尾气回收压缩装置(9)、能源供给装置(10)、脱卤流化床(11)、加热导管(12)、第二旋风分离装置(13)、卤化铵收集装置(14)、深度脱卤流化床(15)、酸性气体处理器(16)、晶化装置(17)、氮化硅粉体收集装置(18)；
Ar或者N2的气源与所述第一气体净化器(1-1)的进气口通过管道和气阀相连接；所述第一气体净化器(1-1)的出气口与所述反应导流管(2)的进气口通过管道和气阀相连接；所述第一气体净化器(1-1)的出气口与所述硅源蒸发装置(3)的进气口通过管道和气阀相连接；所述硅源蒸发装置(3)的出气口与所述第一导气管(4)的进气口通过管道和气阀相连接；NH3的气源与所述第二气体净化器(1-2)的进气口通过管道和气阀相连接；所述第二气体净化器(1-2)的出气口与所述第二导气管(5)的进气口通过管道和气阀相连接；所述反应导流管(2)、第一导气管(4)以及第二导气管(5)配有前驱体合成控温器(6)；所述反应导流管(2)的出料口与所述前驱体收集装置(7)的进料口通过管道相连接；所述前驱体收集装置(7)的出气口与所述第一旋风分离装置(8)的进气口通过管道相连接；所述第一旋风分离装置(8)顶部的出气口与所述尾气回收压缩装置(9)的进气口通过管道相连接；
所述第一旋风分离装置(8)底部的出料口与所述前驱体收集装置(7)下部的进料口通过管道相连接；所述前驱体收集装置(7)底部的出料口与所述脱卤流化床(11)上部的进料口通过管道和料阀相连接；所述脱卤流化床(11)配有能源供给装置(10)；所述脱卤流化床(11)顶部出气口与所述第二旋风分离装置(13)的进气口通过加热导管(12)相连接；所述第二旋风分离装置(13)顶部的出气口与所述尾气回收压缩装置(9)的进气口通过管道相连接；所述第二旋风分离装置(13)下部的出料口与所述卤化铵收集装置(14)的进料口通过管道和料阀相连接；所述脱卤流化床(11)底部的进气口与所述第一气体净化器(1-1)、第二气体净化器(1-2)、第三气体净化器(1-3)的出气口通过管道和气阀相连接；
所述脱卤流化床(11)下部的出料口与所述深度脱卤流化床(15)上部的进料口通过管道和料阀相连接；所述深度脱卤流化床(15)顶部的出气口与所述酸性气体处理器(16)的进气口通过管道相连接；所述酸性气体处理器(16)的出气口与所述尾气回收压缩装置(9)的进气口通过管道相连接；所述深度脱卤流化床(15)底部的进气口与所述第一气体净化器(1-1)、第二气体净化器(1-2)、第三气体净化器(1-3)的出气口通过管道和气阀相连接；
所述深度脱卤流化床(15)下部的出料口与所述晶化装置(17)进料口通过管道和料阀相连接；所述晶化装置(17)的出气口与所述尾气回收压缩装置(9)的进气口通过管道相连接；所述晶化装置(17)底部的进气口与所述第一气体净化器(1-1)、第二气体净化器(1-2)、第三气体净化器(1-3)的出气口通过管道和气阀相连接；所述晶化装置(17)的出料口与所述氮化硅粉体收集装置(18)通过管道和气阀相连接。
2.一种基于权利要求1所述系统的撞击流耦合流化床制备高质量氮化硅粉体的方法，所述方法包括以下步骤：
净化后的Ar或N2通过管道和气阀进入所述反应导流管(2)中清洗反应器，随后，Ar或N2携带所述硅源蒸发装置(3)中的硅源气体和一定量的Ar或N2进入所述第一导气管(4)中，同时，NH3和一定量的Ar或N2进入所述第二导气管(5)中，在所述前驱体合成控温器(6)设定的温度范围内发生反应，合成的前驱体随所述反应导流管(2)的出料口进入所述前驱体收集装置(7)中，部分细粉随尾气进入所述第一旋风分离装置(8)中，经过气固分离后，尾气随管道进入所述尾气回收压缩装置(9)实现回收利用，细粉通过所述第一旋风分离装置(8)底部的出料口进入所述前驱体收集装置(7)；
所述前驱体收集装置(7)中的物料通过管道和料阀进入所述脱卤流化床(11)，同时一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述脱卤流化床(11)，并确保其中物料处于流化状态，在所述能源供给装置(10)的作用下，脱除所述脱卤流化床(11)中物料中的卤化铵副产物，并随尾气经过加热导管(12)进入所述第二旋风分离装置(13)中，经过冷凝结晶后卤化铵固体颗粒进入所述卤化铵收集装置(14)，同时尾气进入所述尾气回收压缩装置(9)，实现尾气的回收再利用；
所述脱卤流化床(11)中的脱卤后的物料经过管道和料阀进入所述深度脱卤流化床(15)中，同时，一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述深度脱卤流化床(15)中，并确保其中物料处于流化状态，在一定温度范围内，所述深度脱卤流化床(15)中的物料深度脱卤，产生的尾气经过所述酸性气体处理器(16)后进入所述尾气回收压缩装置(9)，实现尾气的回收再利用；所述深度脱卤流化床(15)中的物料脱卤后经过管道和料阀进入所述晶化装置(17)中，同时，一定量的NH3或H2随Ar或N2气体进入所述晶化装置(18)中，在一定温度范围进行晶化一定时间，晶化后的物料通过管道和料阀进入所述氮化硅粉体收集装置(18)获得产品，尾气进入所述尾气回收压缩装置(9)，实现尾气的回收再利用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，Ar、N2、NH3和H2的纯度均大于99.9％，且经过第一气体净化器(1-1)、第二气体净化器(1-2)、第三气体净化器(1-3)处理后氧和水蒸汽含量均小于500ppm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硅源蒸发装置(3)中的硅源为纯度大于99.9％的SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiBr4中的任意一种或任意比例组合，且所述硅源蒸发装置(3)的温度为-10～100℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一导气管(4)出气口速度和所述第二导气管(5)出气口速度均大于等于10.0m/s，且所述第二导气管(5)中单位时间流出的NH3与所述第一导气管(4)出气口中单位时间流出气相硅源的摩尔比大于等于6，同时所述前驱体合成控温器(6)保持所述反应导流管(2)中反应合成温度为-10～150℃，反应时间为1～300min。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述能源供给装置(10)为常规电阻加热和微波加热的任意一种或两种加热方式的组合。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述脱卤流化床(11)中物料温度范围为350～800℃，流化气体为Ar、N2、NH3和H2中的任意一种或任意比例组合，且物料停留时间为3～300min。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述深度脱卤流化床(15)温度为600～1200℃，流化气体为Ar、N2、NH3和H2中的任意一种或任意比例组合，物料停留时间为10～300min。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶化装置(17)内壁为石墨、氮化硅、碳化硅和氮化硼中的任意一种材料，所述晶化装置(17)的温度为1350～1600℃，所述晶化装置(17)中物料在床层中堆积密度大于等于0.2g/cm3，物料停留时间为10～180min，其中气体为Ar、N2、NH3和H2中气体的任意一种或任意比例组合。
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