CN1216798C - 等离子体化学气相法制备高α相氮化硅粉体的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用等离子体化学气相法制备氮化硅粉体的工艺，本发明利用直流电弧等离子体为热源，流经电弧的气体被快速加热至高温进入反应器中，与此同时经蒸发器加热蒸发的SiCl4和NH3气体也进入反应器，发生快速分解和Si3N4的合成反应，3SiCl4(g)+16NH3(g)1100-1400℃ Si3N4(s)+12NH4Cl(s)生成的Si3N4经极短的时间(毫秒级)的结晶、长大，然后被气流送至冷环境中后被快速冷却下来，再经布袋收粉器实现气固分离而得到纳米级无定型Si3N4粉体，带有NH4Cl的无定型氮化硅粉体经过脱除氯化铵和高温转相得到高纯、超细、高α相Si3N4粉体，采用本发明工艺的氮化硅粉体纯度高，α相含量，超细、粒度分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用等离子体化学气相法制备氮化硅粉体的工艺。
技术背景
氮化硅陶瓷具有高硬度、强度高、耐磨损、耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性好，密度低等一系列优点，在陶瓷发动机、机械加工、微电子学、空间科学和核动力工程等领域，具有极为广阔的应用前景。目前常用的氮化硅粉体制备方法有(1)硅粉直接氮化法，该方法简便、成本低，因为硅与氮的反应为放热反应，为了使硅粉能充分反应，工艺控制比较复杂；同时由于原材料本身纯度和氮化以后的磨细工序的掺杂，造成粉料的纯度不高。(2)碳热还原二氧化硅法，此法利用自然界中十分丰富的二氧化硅为原料，加之较快的反应速率，特别适宜于大规模生产，但缺点是产物中含C量较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用等离子体化学气相反应法制备高纯度、超细、高α相的优质氮化硅粉体的工艺。
本发明所采用的技术方案为：首先向等离子体发生器中通入等离子体工作气体N2-H2-Ar，按N29～13m3/h；H227～32m3/h的流量连续注入，及注入30升/分钟的Ar，启动等离子体电源，在等离子体发生器中产生等离子体电弧，(起弧正常后关闭Ar气体)，经过电弧的气体被加热到4800～5200℃高温后进入反应器中，然后分别将经蒸发器加热蒸发的SiCl4和经流量计输送的NH3送入反应器中快速发生分解，保持SiCl4和NH3的比例为1∶5～10(单位时间内注入液态重量比)连续注入，等离子体反应器内反应温度保持在1100～1400℃，在等离子体反应器中快速发生分解并利用自由沉降及淬冷条件生成固态Si3N4微粉，
生成的Si3N4结晶、长大，冷却后经布袋收粉器实现气固分离得到Si3N4粉体，经过收粉器得到的无定型氮化硅细粉在密封状态下进入脱氯化铵和无定型氮化硅转相热处理系统，粉料在氨气或氨气和氮气混合气体的保护状态下，首先在中温炉经过500～600℃，1～2小时的处理，去除粉料表面的氯化铵，然后进入高温炉经过1400～1550℃，1～2小时的热处理，即进行无定型氮化硅的转相和结晶化处理，得到高α相氮化硅粉体。
本发明的积极效果如下：本发明利用直流电弧等离子体为热源，流经电弧的气体被快速加热至高温进入反应器中，与此同时经蒸发器加热蒸发的SiCl4和NH3气体也进入反应器，发生快速分解和Si3N4的合成反应。
生成的Si3N4经极短的时间(毫秒级)的结晶、长大，然后被气流送至冷环境中后被快速冷却下来，再经布袋收粉器实现气固分离而得到纳米级无定型Si3N4粉体。带有NH4Cl的无定型氮化硅粉体经过脱除氯化铵和高温转相得到高纯、超细、高α相Si3N4粉体。采用本发明工艺的氮化硅粉体纯度高；高α相含量；超细、粒度分布均匀。
附图说明
附图为本发明生产装置结构原理图。
具体实施方式
如图所示，本发明工艺中整个生产装置主要包括电源及微机数据采集系统；气、液原料供应系统；水冷循环系统；粉末合成和粉末收集系统；脱氯化铵和无定型氮化硅的转相热处理系统和废水处理系统等。
(1)电源及微机数据采集系统：为等离子发生器提供电源，并进行数据采集，对等离子体发生器的功率、反应器的温度进行控制。
(2)气液原料供应系统；定量控制进入反应器的氨气和四氯化硅原料的数量和比例，从而有效的控制反应产物的化学组成。
(3)水冷却循环系统：为等离子发生器和输料管道提供冷却水，保证设备的安全运行。
(4)粉末合成和粉末收集系统：该系统包括等离子反应器、沉降器输送管道和收粉器，保证原料气体在反应器能够充分反应，并对反应产物进行有效的收集。
(5)脱氯化铵和无定型氯化硅转相热处理系统：该系统包括一个中温处理炉，主要去除无定型氮化硅粉体表面的氯化铵晶体；一个高温处理炉，主要用于无定型氮化硅的转相。
(6)废气处理系统：该系统包括淋洗塔和收集处理槽，主要用于反应过程中产生的有害废气进行处理和对副产品的收集。
本发明工艺首先通入等离子体工作气体(Ar)，然后启动等离子体电源，在等离子体发生器中生产等离子体电弧。流经电弧的气体被加热至约5000℃高温，进入反应器中，与此同时经蒸发器加热蒸发的SiCl4和NH3，送入反应器中快速发生分解和Si3N4的合成反应。
生成的Si3N4经极短时间(毫秒级)的结晶、长大，由可控的冷却速度形成不同粒径的微细颗粒，此颗粒被气流送至冷环境中后被快速冷却下来，再经布袋收粉器实现气固分离而得到Si3N4超细粉体。
通过布袋的废气则在淋洗塔中被水淋洗除去HCl后排空，含HCl的废水收集后出售。
经过收粉器得到的无定型氮化硅粉末在密封状态下进入脱氯化铵和无定型氮化硅转相热处理系统。粉料在氨气或氨气和氮气混合气体的保护状态下，首先在中温炉去除粉料表面的氯化铵，然后进入高温炉进行无定型氮化硅的转相和结晶化处理，得到高α相氮化硅粉体；通过控制高温炉的温度和保温时间，可以得到不同粒径和不同α相含量的氮化硅粉体。
下面结合实施例将本发明作详细论述：
实施例1：
首先向等离子体发生器中通入等离子体工作气体N2-H2-Ar，按N29m3/h；H227m3/h；的流量连续注入，及注入30升/分钟的Ar，启动等离子体电源，在等离子体发生器中产生等离子体电弧，(起弧正常后关闭Ar气体)。经过电弧的气体被加热到4800℃高温后进入反应器中快速发生分解，保持SiCl4和NH3的比例为1∶8(单位时间内注入液态重量比)连续注入，等离子体反应器内反应温度保持在1250℃。Si3N4在等离子体反应器中快速发生分解并利用自由沉降及淬冷条件生成固态Si3N4微粉，
生成的Si3N4经极短的时间(毫秒级)的结晶、长大，冷却后经布袋收粉器实现气固分离得到Si3N4粉体。
经过收粉器得到的无定型氮化硅细粉在密封状态下进入脱氯化铵和无定型氮化硅转相热处理系统。粉料在氨气或氨气和氨气混合气体的保护状态下，首先在中温炉经过550℃；1.5小时的处理去除粉料表面的氯化铵，然后进入高温炉经过1475℃，1.5小时的热处理即进行无定型氮化硅的转相和结晶化处理，得到高α相氮化硅粉体；实施例达到了投入产出比为4.5∶1的高效果经过550℃约1.5小时的处理，去除了在无定型氮化硅粉体表面的氯化铵晶体；再经过1475℃，1.5小时的热处理得到了高纯、超细、高α相含量的高性能氮化硅粉。粉体的性能指标如下：
(1)、化学组成
| 检测项目 | Si(％) | N(％) | O(％) |
| 检测结果 | 60.8 | 37.8 | 0.8 |
(2)、相组成：
采用X-光衍射分析法，经过计算所生产的氮化硅粉体的α相和β相含量分别为：
α相：96.5％；β相：3.5％。
(3)、粒度分布特性：采用激光衍射法，测定的粉体的平均粒度D50＝0.25μm，比表面积SSA＝21.6m2/g。
实施例2：
首先向等离子体发生器中通入等离子体工作气体N2-H2-Ar，按N213m3/h；H232m3/h；的流量连续注入，及注入30升/分钟的Ar，启动等离子体电源，在等离子体发生器中产生等离子体电弧，(起弧正常后关闭Ar气体)。经过电弧的气体被加热到5200℃高温后进入反应器中快速发生分解，保持SiCl4和NH3的比例为1∶5(单位时间内注入液态重量比)连续注入，等离子体反应器内反应温度保持在1100℃。在等离子体反应器中快速发生分解并利用自由沉降及淬冷条件生成固态Si3N4微粉，
生成的Si3N4经极短的时间(毫秒级)的结晶、长大，冷却后经布袋收粉器实现气固分离得到Si3N4粉体。
经过收粉器得到的无定型氮化硅细粉在密封状态下进入脱氯化铵和无定型氮化硅转相热处理系统。粉料在氨气或氨气和氮气混合气体的保护状态下，首先在中温炉经过600℃；1小时的处理去除粉料表面的氯化铵，然后进入高温炉经过1400℃，2小时的热处理即进行无定型氮化硅的转相和结晶化处理，得到高α相氮化硅粉体。
实施例达到了投入产出比为4.5∶1的高效果经过600℃约1小时的处理，去除了在无定型氮化硅粉体表面的氯化铵晶体；再经过1400℃，2小时的热处理得到了高纯、超细、高α相含量的高性能氮化硅粉。粉体的性能指标如下：
(1)、化学组成
| 检测项目 | Si(％) | N(％) | O(％) |
| 检测结果 | 59.6 | 38.3 | 1.2 |
(2)、相组成：
采用X-光衍射分析法，经过计算所生产的氮化硅粉体的α相和β相含量分别为：α相：97.5％；β相：2.5％。
(3)、粒度分布特性：
采用激光衍射法，测定的粉体的平均粒度D50＝0.18μm，比表面积SSA＝30.03m2/g。
实施例3：
首先向等离子体发生器中通入等离子体工作气体N2-H2-Ar，按N211m3/h；H230m3/h；的流量连续注入，及注入30升/分钟的Ar，启动等离子体电源，在等离子体发生器中产生等离子体电弧，(起弧正常后关闭Ar气体)。经过电弧的气体被加热到5000℃高温后进入反应器中快速发生分解，保持SiCl4和NH3的比例为1∶10(单位时间内注入液态重量比)连续注入，等离子体反应器内反应温度保持在1400℃。在等离子体反应器中快速发生分解并利用自由沉降及淬冷条件生成固态Si3N4微粉，
生成的Si3N4经极短的时间(毫秒级)的结晶、长大，冷却后经布袋收粉器实现气固分离得到Si3N4粉体。
经过收粉器得到的无定型氮化硅细粉在密封状态下进入脱氯化铵和无定型氮化硅转相热处理系统。粉料在氨气或氨气和氮气混合气氛的保护状态下，首先在中温炉经过500℃；2小时的处理去除粉料表面的氯化铵，然后进入高温炉经过1550℃，1小时的热处理即进行无定型氮化硅的转相和结晶化处理，得到高α相氮化硅粉体。
本实施例达到了投入产出比为4.5∶1的高效果经过500℃约2小时的处理，去除了在无定型氮化硅粉体表面的氯化铵晶体；再经过1550℃，1小时的热处理得到了高纯、超细、高α相含量的高性能氮化硅粉。
粉体的性能指标如下：
(1)、化学组成
| 检测项目 | Si(％) | N(％) | O(％) |
| 检测结果 | 61.5 | 37.6 | 0.5 |
(2)、相组成：
采用X-光衍射分析法，经过计算所生产的氮化硅粉体的α相和β相含量分别为：α相：96.0％；β相：4.0％
(3)、粒度分布特性：
采用激光衍射法，测定的粉体的平均粒度D50＝0.32μm，比表面积SSA＝15.9m2/g。
Claims (1)
1、一种等离子体化学气相法制备高α相氮化硅粉体的工艺，其特征在于首先向等离子体发生器中通入等离子体工作气体N2-H2-Ar，按N2 9-13m3/h；H2 27-32m3/h的流量连续注入，及注入30升/分钟的Ar，启动等离子体电源，在等离子体发生器中产生等离子体电弧，起弧正常后关闭Ar气体，经过电弧的气体被加热到4800-5200℃高温后进入反应器中，然后分别将经蒸发器加热蒸发的SiCl4和经流量计输送的NH3送入反应器中快速发生分解，保持SiCl4和NH3的液态重量比为1∶5-10的比例连续注入，等离子体反应器内反应温度保持在1100-1400℃，在等离子体反应器中快速发生分解并利用自由沉降及淬冷条件生成固态Si3N4微粉，
生成的Si3N4结晶、长大，冷却后经布袋收粉器实现气固分离得到Si3N4粉体，经过收粉器得到的无定型氮化硅细粉在密封状态下进入脱氯化铵和无定型氮化硅转相热处理系统，粉料在氨气或氨气和氮气混合气体的保护状态下，首先在中温炉经过500-600℃，1-2小时的处理，去除粉料表面的氯化铵，然后进入高温炉进行无定型氮化硅的转相和结晶化处理，其处理温度为1400-1550℃，处理时间为1-2小时，即可得到高α相氮化硅粉体。
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