DE10039751A1 - Verfahren zur Gewinnung von Siliciumnitrid - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung von Siliciumnitrid durch Umsetzen von Silicium und/oder Siliciumverbindungen mit Stickstoff auf katalytischem Wege beschrieben. Das Verfahren hat den Vorteil, daß es bei moderaten Temperaturen durchgeführt werden kann, so daß der erforderliche Energieaufwand im Vergleich zum Stand der Tehnik reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewin­ nung von Siliciumnitrid (Si₃N₄).

Es ist bekannt, Siliciumnitrid durch Erhitzen von Silicium­ pulver auf 1.350-1.450°C in einer Stickstoff-Atmosphäre herzustellen. Bei diesem Verfahren ist nachteilig, daß in­ folge der Erhitzung auf die genannten Temperaturen ein re­ lativ hoher Energiebedarf erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von Siliciumnitrid anzugeben, das besonders ein­ fach und wirtschaftlich durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren ge­ löst, bei dem Siliciumnitrid (Si₃N₄) durch Umsetzen von Si­ licium und/oder Siliciumverbindungen, insbesondere Silici­ umwasserstoffverbindungen, mit Stickstoff mit Hilfe eines als Katalysator dienenden Nebengruppenelementes oder Neben­ gruppenelementoxides bei moderaten Temperaturen gewonnen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Siliciumnitrid auf katalytischem Wege gewonnen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß unter Einsatz eines als Katalysator die­ nenden Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides Siliciumnitrid bei moderaten Temperaturen (100-300°C) her­ gestellt werden kann, die wesentlich unter dem vorstehend aufgeführten Bereich des Standes der Technik liegen. So ist zum Initiieren der Reaktion des Siliciums mit dem Stick­ stoff lediglich ein Vorerwärmen des Siliciums und des Kata­ lysators erforderlich. Danach erfolgt die Umsetzung des Si­ liciums mit Stickstoff auf exotherme Weise, wobei sehr hohe Energiemengen freiwerden. Es erfolgt somit eine Aktivierung von elementarem Silicium und/oder Siliciumverbindungen durch den erwähnten Katalysator.

Als Katalysator findet ein Nebengruppenelement oder Neben­ gruppenelementoxid Verwendung. Mit Nebengruppenelementen sind hierbei die entsprechenden Elemente der Nebengruppen des Periodensystems der Elemente gemeint. Nebengruppenele­ mentoxide sind die Oxide hiervon. Besonders gute Ergebnisse lassen sich hierbei mit den Elementen der Nebengruppe der Gruppe I, nämlich Cu, Ag, Au, erzielen, wobei der Einsatz von Kupfer oder Kupferoxid zu besonders guten Ergebnissen führt. Kupferoxid (CuO) hat sich dabei als besonders geeig­ net erwiesen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren werden Si in elementarer Form und/oder Si-Verbindungen eingesetzt. Beispiele für Si- Verbindungen sind Siliciumwasserstoffverbindungen, insbe­ sondere Silane. Weitere Beispiele sind Silicium-Metall-Ver­ bindungen (Silicide). Ferner sollen auch Siliciumlegierun­ gen unter das erfindungsgemäße Verfahren fallen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise das Silicium und/oder die Siliciumverbindungen mit dem Katalysator auf 100-300°C vorerwärmt, wodurch die Reaktion 3Si + 2N₂ → Si₃N₄ initiiert wird. Besonders bevorzugt wird eine Vorerwärmung auf ca. 200°C durchgeführt. Es setzt, dann die Reaktion Si + 2CuO → SiO₂ + 2Cu ein. Dieser Schritt liefert die erforderliche Wärme (Energie), damit die vorstehend erwähnte Reaktion 3Si + 2N₂ → Si₃N₄ startet, die etwa bei 700°C einsetzt.

Vorzugsweise werden die Reaktionssubstanzen nach dem Vorer­ wärmen mit Luft kontaktiert. Insbesondere wird Luft in den Reaktor eingepreßt, in dem die Reaktion stattfindet. Hier­ durch wird der für die Reaktion benötigte Stickstoff zur Verfügung gestellt. Natürlich schließt dies nicht aus, daß auch mit reinem Stickstoff gearbeitet werden kann.

Das Silicium und/oder die Siliciumverbindungen werden be­ vorzugt als mit dem Katalysator vermischtes oder beschich­ tetes Pulver umgesetzt. Eine Verfahrensvariante wird bevor­ zugt, bei der eine Mischung aus feinverteiltem Staub aus Si und/oder den Si-Verbindungen und dem Katalysator auf etwa 200°C vorerwärmt wird, wodurch die Reaktion 3Si + 2N₂ → Si₃N₄ initiiert wird.

Die Wirkung des Katalysators kann durch Promotoren, wie beispielsweise Zink, Zinkverbindungen, erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird somit Siliciumnitrid auf katalytischem Wege hergestellt. Die hier verwendeten Begriffe "Katalyse, Katalysator, katalytisch" schließen nicht aus, daß auch größere Mengen des Katalysators als normalerweise für eine katalytische Reaktion erforderlich zugesetzt werden. So schlägt die Erfindung vor, bis zu 40% des Katalysators, insbesondere von CuO, bezogen auf das Silicium oder die Siliciumverbindungen, zu verwenden.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß Silane, insbesondere Silan­ öle, umgesetzt werden. Derartige Silane können allein oder im Gemisch mit elementarem Silicium umgesetzt werden, wobei das elementare Silicium vorzugsweise als Pulver in das flüssige Silanöl dispergiert wird. Auch können Silan/Si- Pulver-Gemische umgesetzt werden.

Auf die vorstehend beschriebene Weise läßt sich Silicium­ nitrid in großen Mengen auf besonders wirtschaftliche Weise herstellen. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß große Energiemengen freigesetzt werden, die ge­ nutzt werden können, beispielsweise als Heizenergie und als Antriebsenergie für beliebige Antriebe, beispielsweise Ver­ brennungsmotoren, Raketenantriebe, Strahlturbinenantriebe etc. Siliciumnitrid kann daher auf erfindungsgemäße Weise gezielt hergestellt werden, um als Ausgangssubstanz für weitere Produkte oder als solches für die bekannten Ein­ satzzwecke verwendet zu werden, oder es kann als "Abfall­ produkt" aus entsprechenden Energieerzeugungsverfahren an­ fallen.

Noch eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich­ net sich dadurch aus, daß der Wasserstoff von Siliciumwas­ serstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxidationsmittels zu Wasser verbrannt wird, worauf die Umsetzung des Stickstoffs mit dem Silicium mit Hilfe des Katalysators erfolgt.

Um den Stickstoff mit dem Silicium von Siliciumwasserstoff­ verbindungen, insbesondere Silanen, reagieren zu lassen, kann es von Vorteil sein, der eingesetzten Siliciumwasser­ stoffverbindung elementares Silicium zuzusetzen, das eben­ falls mit Hilfe des eingesetzten Katalysators mit dem Stickstoff umgesetzt wird. Neben elementarem Silicium kön­ nen zu diesem Zweck auch Silicide beigemengt werden.

Mit einem Heptasilan Si₇H₁₆ ergibt sich dann unter Einsatz der beschriebenen Maßnahmen (Katalysator) folgende stöchio­ metrisch 100%ige Verbrennung eines normalen Luftgemisches aus 20% O₂ und 80% N₂:

16H + 4O₂ → 8H₂O
7Si + 16N₂ + zusätzlich 17 dispergierte, aktivierte Si → 8Si₃N₄.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.

In einen mit Heizstäben versehenen, liegenden Reaktor wurde ein Gemisch aus feinem Si-Pulver und feinem CuO-Pulver ein­ geführt. Der Reaktor wurde dann auf etwa 200°C vorerhitzt. Anschließend wurde Luft in den Reaktor eingepreßt. Es bil­ dete sich im Reaktor ein grauweißes, armorphes Pulver, das aus dem Reaktor ausgetragen und als Siliciumnitrid analy­ siert wurde.

Claims (10)

1. Verfahren zur Gewinnung von Siliciumnitrid (Si₃N₄) durch Umsetzen von Silicium und/oder Siliciumverbin­ dungen, insbesondere Siliciumwasserstoffverbindungen, mit Stickstoff mit Hilfe eines als Katalysator dienen­ den Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxi­ des bei moderaten Temperaturen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium und/oder die Siliciumverbindungen mit dem Katalysator auf 100-300°C vorerwärmt werden, wodurch die Reaktion 3Si + 2N₂ → Si₃N₄ initiiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionssubstanzen nach dem Vorerwärmen mit Luft kontaktiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Silicium oder die Sili­ ciumverbindungen als mit dem Katalysator vermischtes oder beschichtetes Pulver umgesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus feinver­ teiltem Staub aus Silicium und/oder den Siliciumver­ bindungen und dem Katalysator auf etwa 200°C vorer­ wärmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Katalysator Kupfer oder Kupferoxid verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Silane, insbesondere Silan­ öle, umgesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Siliciumwasserstoffverbin­ dungen und elementares Silicium umgesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Silan/Si-Pulver-Gemisch umgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff von Silici­ umwasserstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Tempera­ turen in Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxida­ tionsmittels zu Wasser verbrannt wird, worauf die Um­ setzung des Stickstoffs mit dem Silicium mit Hilfe des Katalysators erfolgt.