DE69119816T2

DE69119816T2 - Nitridprodukte und Verfahren un Apparat zur Herstellung von Nitridprodukten

Info

Publication number: DE69119816T2
Application number: DE69119816T
Authority: DE
Inventors: Michael Curtis Carter; Bruce William Gerhold
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2011-04-03
Also published as: KR970009005B1; JP2610366B2; ATE138625T1; DK0450562T3; JPH04214015A; NO911290L; CA2034214C; NO911290D0; EP0450562B1; AU7264391A; ES2090162T3; AU623051B2; GR3020208T3; DE69119816D1; EP0450562A2; US5178844A; CA2034214A1; KR910018303A; EP0450562A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Nitridprodukten, wie Produkten, die Siliciumnitrid umfassen. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein derartiges Produkt.
Verschiedene Nitridpulver, wie Siliciumnitrid, eignen sich als moderne keramische Materialien für die Herstellung von stark beanspruchten, verschleißbeständigen keramischen Teilen, wie Teilen, die in Wärmekraftmaschinen, Turboladerrotoren und Wärmetauschern verwendet werden. Synthesetechniken, wie die, die das Plasma- und Laseraufheizen gasförmiger Reaktanten umfassen, werden erfolgreich zur Herstellung von Submikron-Nitridpulvern angewandt, es wäre jedoch günstig, sinterbare Nitridprodukte in einer Weise herzustellen, die sich besser für die ökonomische Synthese in großem Maßstab eignet. In dieser Hinsicht ist es besonders vorteilhaft, die Bildung von Ablagerungen auf den Wänden eines Nitridreaktors zu minimieren, um auf diese Weise Stillstandzeiten für die Entfernung derartiger Ablagerungen zu minimieren.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die ökonomisch bei der Herstellung von Nitridprodukten in einem Reaktor sind und die die Reaktorwandablagerungen minimieren, so daß sie sich gut für die Synthese im großen Maßstab eignen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das folgende Stufen umfaßt: Bereitstellung eines Reaktors mit einer darin ausgebildeten Kammer, die eine Längsachse und in Längsrichtung getrennte stromaufwärtige und stromabwärtige Enden aufweist, wobei die Kammer eine Verbrennungszone und eine Reaktionszone umfaßt, so daß die Verbrennungszone sich vom stromaufwärtigen Ende zu einer Grenzfläche zwischen den Zonen erstreckt und daß die Reaktionszone sich in Längsrichtung von der Grenzfläche zum stromabwärtigen Ende erstreckt; die Einrichtung eines Stroms aus einem brennbaren Gemisch in die Verbrennungszone, so daß es im allgemeinen in Richtung hin auf die Reaktionszone strömt, wobei das brennbare Gemisch ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel umfaßt; Verbrennen des brennbaren Gemisches in der Verbrennungszone unter Bildung heißer Verbrennungsprodukte, die hin zur Reaktionszone und in die Reaktionszone strömen; Einführen mindestens eines Reaktanten in die Reaktorkammer aus mindestens einem Auslaß mindestens einer Reaktantendüse, so daß der Reaktant/die Reaktanten aus dem Reaktantendüsenauslaß/den Reaktantendüsenauslassen an der Grenzfläche in einer Richtung im allgemeinen parallel zu der Längsachse austreten, wobei die Temperaturbedingungen in mindestens einem Abschnitt der Reaktionszone mindestens etwa 1300ºC betragen und wobei das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination aus dem brennbaren Gemisch und dem Reaktanten/den Reaktanten mindestens etwa 0,7:1 beträgt und wobei der Reaktant/die Reaktanten ferner zur Reaktion in der Reaktionszone unter Bildung einer Nitridverbindung imstande sind; wobei das Produktpulver, das die Nitridverbindung umfaßt, in der Reaktionszone gebildet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die folgende Bestandteile umfaßt: einen Reaktor, wie er vorstehend beschrieben wurde; eine Einrichtung zum Einführen eines brennbaren Gemisches in die Verbrennungszone, die mindestens eine Verbrennungsdüse mit mindestens einem Auslaß umfaßt, der in Verbindung mit der Verbrennungszone steht und der vorgesehen ist, brennbares Gemisch in die Verbrennungszone in einer Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone freizusetzen; und eine Einrichtung zum Einführen mindestens eines Reaktanten in die Reaktionszone, die mindestens eine Reaktantendüse mit mindestens einem Auslaß umfaßt, der in Verbindung mit der Kammer an der Grenzfläche steht und der vorgesehen ist, um den Reaktanten/die Reaktanten in die Reaktorkammer in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Reaktorkammer freizusetzen, wobei der Reaktant/die Reaktanten zur Reaktion in der Kammer unter Bildung eines Nitridprodukts imstande sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Produktpulver bereitgestellt, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird, wobei ein Reaktant eine Siliciumkomponente umfaßt, das Siliciumnitrid und elementares Silicium umfaßt und das durch die folgenden Gewichtsprozentsätze charakterisiert ist: Silicium in einer Menge von etwa 55 bis etwa 75 Gew.-%; Stickstoff in einer Menge von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-%; Kohlenstoff in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%; und Sauerstoff in einer Menge von etwa 1 bis etwa 15 Gew.-%.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens der hier beschriebenen Erfindung bildet eine Mehrzahl von Verbrennungsdüsenauslassen mindestens eine lineare Grenze, deren Projektion in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer und auf die vorstehend genannte Grenzfläche im allgemeinen einen Reaktionsdüsenauslaß umgibt. Es ist auch bevorzugt, wenn die Reaktionsdüse einen Auslaß aufweist, der im wesentlichen auf der Längsachse der Kammer angeordnet ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sind ökonomisch, da sie die Verwendung von billigen Brennstoffen als Heizquelle erfordern und da sie eine minimale Investition für den Bau des Reaktors erfordern. Ferner wurde festgestellt, daß das Einführen der Reaktanten in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer besonders wirksam im Hinblick auf die Minimierung von Ablagerungen auf den Reaktorkammerwänden ist. Die bevorzugte relative Anordnung der Verbrennungs- und Reaktantendüsen, wie sie vorstehend erörtert wurde, verstärkt die gewünschte Wirkung in besonderer Weise.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Reaktors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnitt der Ausführungsform von Fig. 1, betrachtet entlang der Linie 2-2.
Figg. 3 und 4 sind vergrößerte Querschnitte von Düsen, die in Fig. 1 gezeigt sind.
Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Reaktors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Querschnitt der Ausführungsform von Fig. 5, betrachtet entlang der Linie 6-6.
Fig. 7 ist ein vergrößerter Querschnitt einer Reaktantendüse, die in Fig. 5 gezeigt ist.
Fig. 8 ist ein Röntgenbeugungsmuster für ein Produkt, das in Beispiel V hergestellt wurde.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Reaktors 10 mit einer darin ausgebildeten Kammer 12 gezeigt, die eine Längsachse 14 und in Längsrichtung getrennte stromaufwärtige und stromabwärtige Enden 16 bzw. 18 aufweist. Die Kammer 12 umfaßt eine Verbrennungszone 12a und eine Reaktionszone 12b, die so angeordnet sind, daß sich die Verbrennungszone 12a vom stromaufwärtigen Ende 16 zu einer imaginären, in diesem Fall planaren Grenzfläche 20 zwischen den Zonen erstreckt und daß sich die Reaktionszone 12b von der Grenze 20 zum stromabwärtigen Ende 18 erstreckt.
Die Kammer 12 wird durch hitzebeständige Rohre 22 und 24 und auch durch Einsätze 26a, b und c gebildet. Derartige Rohre und Einsätze bestehen vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material, das beständig gegenüber Temperaturen von mindestens 2000ºC ist, wie Zirkoniumdioxid, das im Handel von Zircoa Products, Solon, OH, erhältlich ist.
Wie gezeigt, werden mehrere zusätzliche, koaxial angeordnete Schichten aus hitzebeständigem Material bereitgestellt, die im allgemeinen ringförmig sind und die die Rohre 22 und 24 umgeben und folgendes umfassen: eine Schicht 28, die vorzugsweise eine Zirkoniumdioxidpulver-Isolierung umfaßt, die von Zircar Products, Florida, NY, erhältlich ist und ein Zusammenziehen und ein Ausdehnen dieser Schicht erlaubt; eine Schicht 30, die vorzugsweise eine Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Abdeckisolierung umfaßt, die im Handel unter der Warenbezeichnung Fiberfrax von Carborundum, Niagara Falls, NY, erhältlich ist; und eine Schicht 32, die die gleiche Zusammensetzung wie die Schicht 30 aufweisen kann. Ein hitzebeständiger Zylinder 34, der vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden Aluminiumoxid geringer Dichte besteht, das von Zircar Products, Florida, NY, erhältlich ist, wird als die Schichten 28 und 30 trennend gezeigt, und ein Metallzylinder 36, der insbesondere aus rostfreiem Stahl besteht, trennt die Schichten 30 und 32. Die Zylinder 34 und 36 tragen dazu bei, für eine strukturelle Abstützung des Reaktors zu sorgen.
Die äußerste hitzebeständige Schicht 32 wird durch ein Gewebematerial 42, wie Glasfasern, an ihrem Platz gehalten, das um die äußere Oberfläche der Schicht 32 gewickelt ist. Die Bodenenden der verschiedenen Schichten werden durch eine Metallplatte 44 abgestützt. Der Reaktor ist wegen der Zweckmäßigkeit beim Betrieb vorzugsweise senkrecht ausgerichtet, wie es gezeigt ist. Wenn eines der hitzebeständigen Materialien bricht oder reißt, dann neigt es dazu, an seinem Platz zu bleiben, wenn die verschiedenen Schichten und Rohre senkrecht angeordnet sind. Daher kann ein Betrieb ungeachtet derartiger struktureller Fehler manchmal fortgesetzt werden. Weitere Reaktororientierungen fallen jedoch unter den Schutzumfang der Erfindung.
Jede der Verbrennungsdüsen 46a und 46b ist mit einer Quelle für Brennstoff und Oxidationsmittel verbunden und weist entsprechende Auslaßenden 48a und 48b auf, die in Verbindung mit der Verbrennungszone 12a der Kammer 12 in einer Position unmittelbar benachbart zum stromaufwärtigen Ende 16 der Kammer 12 stehen. Wie gezeigt ist, werden die Düsen 46a und 46b von hitzebeständigen Einsätzen 52 umgeben, die nahe dem stromaufwärtigen Ende 16 angeordnet sind. Obwohl dies in Fig. 1 nicht gezeigt ist, wird auch eine dritte Verbrennungsdüse 46c mit einem damit verbundenen Auslaßende 48c bereitgestellt; vgl. Fig. 2, die alle drei Verbrennungsdüsen zeigt.
Eine einzige Reaktantendüse 54 ist mit einer Quelle für Reaktanten, die nachstehend ausführlich erläutert wird, verbunden und erstreckt sich durch hitzebeständige Einsätze 52 vom stromaufwärtigen Ende 16 der Kammer 12 zu einem Auslaßende 56, das mit der Kammer 12 an der Grenzfläche 20 in Verbindung steht. Wie gezeigt ist, weist die Düse 54 eine Längsachse 57 auf, die gemäß der erläuterten Ausführungsform parallel zur Längsachse 14 der Kammer 12 ist. Im Hinblick auf die größtmögliche Minimierung von Ablagerungen auf den die Kammer bildenden Wänden (nachstehend einfach als Kammerwände bezeichnet), z. B. der hitzebeständigen Rohre 24 und 26 usw., entspricht die Längsachse 57 der Längsachse 14 der Kammer 12, so daß der Auslaß 56 im wesentlichen auf der Längsachse 14 angeordnet ist. Eine Mehrzahl von im allgemeinen ringförmigen hitzebeständigen Elementen 58, die vorzugsweise aus einem geeigneten, temperaturbeständigen Material, wie auf Zirkoniumoxid basierendem ZYFB3, das von Zircar Products erhältlich ist, bestehen, sind vorzugsweise aufeinandergesetzt, so daß sie die Düse 54 entlang ihres Abschnitts innerhalb der Kammer 12 umgeben. Weitere thermisch isolierende Schichten und Beschichtungen gehören zum Schutzumfang der Erfindung. Derartige hitzebeständige Elemente 58 minimieren den Wärmeaustausch zwischen der Düse 54 und der Kammer 12, so daß auf diese Weise ein Wärmeverlust aus der Kammer minimiert wird.
Die richtige Anordnung der Düsen in bezug aufeinander ist ein wichtiger Aspekt bei der Optimierung des Betriebswirkungsgrades und der Qualität des Produkts. Es ist z. B. günstig, den Reaktionsdüsenauslaß 56 und die entsprechende Grenzfläche 20 weit genug stromabwärts von den Verbrennungsdüsenauslassen anzuordnen, so daß im wesentlichen der gesamte freie Sauerstoff mit dem Brennstoff unter Bildung von Verbrennungsprodukten reagiert hat, bevor die Grenzfläche 20 erreicht wird. Eine derartige Anordnung der Düsen bedeutet, daß es im wesentlichen keinen freien Sauerstoff (O&sub2; in seinem freien gasförmigen Zustand, unkombiniert mit irgendwelchen anderen Komponenten) an der Grenzfläche 20 gibt, wobei die unerwünschte Oxidation eines der Reaktanten, wie nachstehend im Zusammenhang mit dem Betrieb der Vorrichtung erörtert wird, vermieden wird. Es ist ferner günstig, den Auslaß 56 ausreichend weit stromabwärts anzuordnen, um eine Strahlpumpenwirkung auf Gase, die aus dem Auslaß 56 strömen, zu vermeiden. Diese Wirkung führt dazu, daß die Reaktanten stromaufwärts anstelle des beabsichtigten Stroms in stromabwärtiger Richtung gezogen werden. Zusätzlich zu den vorstehenden Überlegungen sollte der Auslaß 56 jedoch ausreichend weit stromaufwärts angeordnet werden, um sicherzustellen, daß die Temperaturen, denen die Reaktanten ausgesetzt werden, die Bildung von Nitridprodukt fördern. Im Hinblick auf die vorstehend erörterte optimale Anordnung des Reaktionsdüsenauslasses 56 ermöglicht die erläuterte Ausführungsform eine besonders zweckmäßige Einstellung der Position des Auslasses 56, indem einfach die Düse 54 in Längsrichtung aus der Kammer 12 gezogen oder weiter in die Kammer geschoben wird.
In Fig. 1 ist auch eine Rohrleitung 60 gezeigt, die an einem Ende mit dem Reaktor 10 verbunden ist, so daß sie in Verbindung mit dem stromabwärtigen Ende 18 der Kammer 12 steht. Rohrleitung 60 nimmt Nitridproduktpulver auf, das dann durch sie hindurch in eine geeignete Auffangvorrichtung, wie sie nachstehend erörtert wird, tritt. Die Rohrleitung 60 in der gezeigten Ausführungsform wirkt nicht nur so, daß das Produkt zu der Auffangvorrichtung transportiert wird, sondern sie wirkt auch als Wärmetauscher. Die Außenseite der Rohrleitung 60 ist einem Kühlmittel ausgesetzt, wie umgebender Luft, was eine Wärmeübertragung sowohl durch natürliche Konvektion als auch durch Strahlung ermöglicht. Eine derartige Wärmeübertragung bewirkt eine Kühlung des Produktpulvers, sowie es durch die Rohrleitung 60 strömt, was sehr erwünscht ist, um unerwünschte Reaktionen zu verhindern, die z. B. die Oxidation des Nitridprodukts unter Bildung unerwünschter Oxide umfassen. Darüber hinaus ist eine derartige Kühlung des Produktpulvers wünschenswert, um eine Schädigung der Auffangvorrichtung durch überaus heißes Produkt zu verhindern. In Fällen, in denen ein Stoffilterbeutel als Auffangvorrichtung verwendet wird, sollte die Rohrleitung 60 ausreichend lang sein, um das Produktpulver auf eine gewünschte Temperatur, typischerweise unter etwa 100ºC, zu kühlen, bevor es in die Auffangvorrichtung eintritt. Andere Typen von Auffangvorrichtungen erfordern eine geringere Kühlung. Gegebenenfalls kann die Kühlwirkung weiter verstärkt werden, indem die Rohrleitung 60 mit einer Kühlschlange oder einem Kühlmantel mit durchströmendem Kühlmittel umgeben wird.
Im Hinblick auf die Materialien für die Rohrleitung 60 ist es bevorzugt, nicht-metallische Materialien einzusetzen, die nicht zu unerwünschten Metallverunreinigungen des Produkts beitragen. Wenn es sich bei dem gewünschten Produkt z. B. um Siliciumnitrid handelt, dann ist Quarz (Siliciumdioxid) bevorzugt, da molekulare Strukturen, die durch Silicium- Sauerstoff-Bindungen charakterisiert sind, bereits im Reaktorprodukt vorhanden sind, so daß im wesentlichen keine zusätzlichen Verunreinigungen in den Produktstrom eintreten. Quarz ist auch ein besonders bevorzugtes Material aufgrund seines hohen Emissionsvermögens und der hervorragenden Temperaturschockbeständigkeit. Andererseits gehören weitere Wärmeaustauschermaterialien unter Einschluß von Metallen zum Schutzumfang gewisser Aspekte der Erfindung.
Bei der Auffangvorrichtung kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung zum Auffangen des Produktpulvers handeln. Eine geeignete Auffangvorrichtung umfaßt, wie vorstehend erörtert, einen Stoffilterbeutel, der mit dem stromabwärtigen Ende der Rohrleitung 60 verbunden ist. Weitere geeignete Auffangvorrichtungen umfassen Metallfilter, Elektrofilter und Cyclonabscheider. Unabhängig vom Typ der verwendeten Auffangvorrichtung sollte selbstverständlich vorzugsweise eine Druckdifferenz mittels einer geeigneten Pumpe über die Auffangvorrichtung angelegt werden, um das Produktpulver durch die Rohrleitung 60 und in die Auffangvorrichtung zu saugen.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die alle drei Verbrennungsdüsenauslasse 48a, 48b und 48c sowie ihre relativen Positionen mit Bezug auf den Reaktionsdüsenauslaß 56 zeigt. Wie aus den Figg. 1 und 2 ersichtlich ist, bilden die Verbrennungsdüsenauslasse eine imaginäre lineare Grenze 61, deren Projektion in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse 14 der Kammer 12 und auf die Grenzfläche 20 im allgemeinen den Auslaß 56 umgibt. Im Betrieb sorgt dieses Merkmal in vorteilhafter Weise für eine Hülle aus den Verbrennungsprodukten um die Reaktanten, die aus dem Auslaß 56 eintreten, so daß dies zum Schutz der Kammerwände vor Ablagerungen bildenden Reaktionen unter Beteiligung der Reaktanten beiträgt. Hier und in den beigefügten Ansprüchen soll der Ausdruck "lineare Grenze" allgemein eine beliebige Grenze umfassen, die durch einen sich bewegenden Punkt gebildet wird, und der Ausdruck ist nicht auf ein oder mehrere gerade Liniensegmente beschränkt. Gemäß der speziellen erläuterten Ausführungsform ist die Grenze 61 im allgemeinen dreieckig und in bezug auf den Auslaß 56 so angeordnet, daß der Auslaß 56 sich im allgemeinen zentral innerhalb der vorstehend genannten Projektion der Grenze 61 befindet. Es ist am stärksten bevorzugt und gezeigt, wenn die Verbrennungsdüsenauslasse gleiche Abstände voneinander aufweisen.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Abschnitts einer mit 46 bezeichneten Düse gezeigt, die eine beliebige der Verbrennungsdüsen 46a, 46b und 46c repräsentiert, die jeweils hinsichtlich Struktur und Betrieb identisch sind. Die Düse 46 umfaßt ein rohrförmiges Element 62, das vorzugsweise aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl, gefertigt ist und eine innere Seitenwand 62a und eine äußere Seitenwand 62b aufweist. Diese Seitenwände bilden einen im allgemeinen ringförmigen Raum 64 dazwischen, der mit einer Quelle für ein Kühlmittel, wie Wasser oder Ethylenglykol oder einer Kombination daraus, das gegebenenfalls auch geringe Mengen an Additiven, wie Korrosionsschutzmitteln und dergl., enthalten kann, verbunden ist. Ein rohrförmiges Element 66 ist innerhalb des ringförmigen Raums 64 angeordnet, so daß der Raum allgemein in Eintrittsdurchlaß und Austrittsdurchlaß für das Kühlmittel unterteilt wird. Wie gezeigt ist, strömt Kühlmittel hin zur Spitze 46, wie es bei 68 gezeigt ist, und strömt weg von der Spitze in der Gegenrichtung, wie es bei 70 gezeigt ist. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels kann gegebenenfalls umgekehrt werden. Der Strom von Kühlmittel durch den Raum 64 trägt dazu bei, ein Schmelzen der metallischen rohrförmigen Elemente zu verhindern, und er trägt auch dazu bei, ein Zurückbrennen (Zurückschlagen) der Flamme in die Düse 46 zu verhindern, indem das Innere der Düse 46 unter der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches gehalten wird. Das Innere der Düse 46 ist mit einer Quelle für Brennstoff und Oxidationsmittel verbunden, so daß ein Strom des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches durch die Düse 46 eingerichtet wird, wie es bei 72 gezeigt ist.
In Fig. 4 ist ein Querschnitt der Düse 54 mit einem Auslaßende 56 gezeigt. Die Düse 54 ist vorzugsweise aus dem gleichen oder einem ähnlichen metallischen Material wie dem, das für die Düse 46 verwendet wird, gefertigt und umfaßt rohrförmige Elemente 74 und 76. Wie gezeigt ist, ist das rohrförmige Element 74 im allgemeinen koaxial im Inneren des rohrförmigen Elements 76 angeordnet, so daß ein im allgemeinen ringförmiger Raum 78 zwischen der inneren Oberfläche des Elements 76 und der äußeren Oberfläche des Elements 74 gebildet wird. Das Innere des rohrförmigen Elements 74 ist mit einer Quelle für Reaktanten verbunden, um für einen Strom von Reaktanten dadurch zu sorgen, wie es bei 79 gezeigt ist. Das rohrförmige Element 76 weist im allgemeinen die gleiche Bauart wie das Element 62 in Fig. 2 auf und umfaßt entsprechende innere und äußere Seitenwände 76a und 76b, zwischen denen ein im allgemeinen ringförmiger Raum 80 ausgebildet ist. Ein rohrförmiges Element 82 ist innerhalb des ringförmigen Raums 80 angeordnet, so daß er in Eintritts- und Austrittsdurchlasse unterteilt wird. Der Raum 80 ist mit einer Quelle für ein Kühlmittel verbunden, so daß entsprechende Eintritts- und Austrittsströmungswege 84 und 86 eingerichtet werden. Die umgekehrte Richtung des Kühlmittelstroms kann gegebenenfalls gewählt werden. Der Strom des Kühlmittels trägt nicht nur dazu bei, ein Schmelzen der metallischen rohrförmigen Elemente zu verhindern, sondern er trägt auch dazu bei, Nitridablagerungen innerhalb der Düse 54 zu verhindern, indem die Temperatur der Düse unterhalb der Temperaturgrenzen gehalten wird, die die Nitridbildung fördern. Dies vermeidet die Notwendigkeit einer periodischen Reinigung der Düsenoberflächen von Nitridablagerungen.
Ein ringförmiger Raum 78 ist mit einer Spülgasquelle verbunden, um einen Strom eines derartigen Spülgases durch den ringförmigen Raum 78 in Richtung auf das Auslaßende 56 einzurichten, wie es bei 88 gezeigt ist. Dieser Strom von Spülgas tritt also aus dem Auslaßende 56 in einem im allgemeinen ringförmigen Strom aus, so daß er die Reaktanten umgibt, wenn diese aus der Düse austreten. Dieser ringförmige Gasstrom bildet eine Hülle um die Reaktanten, so daß ein Kontakt der heißen Verbrennungsgase in der Kammer 12 (vgl. Fig. 1) mit den Reaktanten unmittelbar nach deren Austreten aus der Düse 54 verhindert wird, wobei die Bildung von Nitridablagerungen auf der Spitze der Düse 54 verhindert wird. Derartige Ablagerungen können, wenn sie nicht verhindert werden, schließlich zu einer Blockierung des Reaktantenstroms aus der Düse 54 und damit zu einem Abschalten des Reaktors führen. Selbstverständlich verteilt sich diese isolierende Hülle aus Spülgas nach nur wenigen Millisekunden, aber dies ist eine ausreichende Zeitspanne, um es den Reaktanten zu ermöglichen, weit genug von der Düsenspitze wegzuströmen, um eine Bildung von unerwünschten Ablagerungen zu verhindern. Die Wahl des Spülgases ist nicht kritisch, und es kann sich z. B. um ein inertes Gas (d. h. Helium oder Argon), ein gekühltes Abgas, das aus dem Reaktor abgegeben wird, oder ein reaktives, Stickstoff enthaltendes Gas (z. B. Ammoniak), das Stickstoff zum reaktiven Strom zur Bildung von Nitriden beitragen kann, handeln.
Die verschiedenen Gasströme werden vorzugsweise durch herkömmliche Ausrüstungen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, eingerichtet und gesteuert. Gas kann z. B. aus Druckgasflaschen zugeführt werden. Das Gas kann aus einem derartigen unter Druck stehenden Behälter durch eine Öffnungsplatte austreten, deren Öffnung so bemessen ist, daß Schallgeschwindigkeit des Gases erzielt wird. Eine derartige Schallgeschwindigkeit verhindert, daß Druckstörungen sich stromaufwärts bewegen, so daß die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit des Gases nicht beeinflußt wird, was immer stromabwärts nahe dem Reaktor passiert. Ein Druckregler kann eingesetzt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu steuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Nitridverbindung unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung bereitgestellt. Bei der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird auf die Zeichnung Bezug genommen.
In der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ist eine Nitridverbindung als eine binäre Verbindung einer ersten Elementkomponente und einer zweiten Komponente, nämlich einer Stickstoffkomponente, definiert. Allgemein gesagt wird eine Nitridverbindung gemäß der erläuterten Ausführungsform durch Umsetzung von zwei Reaktanten hergestellt. Der erste Reaktant enthält die erste Komponente, während der zweite Reaktant die zweite Komponente, nämlich die Stickstoffkomponente, enthält.
Gemäß bestimmten allgemeinen Aspekten der Erfindung kann es sich bei der ersten Komponente, wie sie im ersten Reaktanten enthalten ist, um ein beliebiges Element handeln, das zur Kombination mit Stickstoff unter Bildung einer Nitridverbindung imstande ist. Zum Beispiel kann es sich bei der ersten Komponente um ein Metall, wie Aluminium, Wolfram, Chrom, Titan, Zirkonium oder Molybdän, handeln. Halogenide derartiger Metalle eignen sich besonders als erster Reaktant. Bei der ersten Komponente kann es sich auch um ein Metalloid, wie Silicium oder Bor, handeln. Wie bereits festgestellt wurde, ist Siliciumnitrid eine sehr nützliche Nitridverbindung. Keramische Teile können aus Siliciumnitridpulver hergestellt werden, die eine hervorragende mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweisen. Daher sind Reaktanten mit Silicium als der ersten Komponente von besonderem Interesse im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Silicium enthaltende Reaktanten, die Verbindungen von Silicium sind, umfassen Silan (SiH&sub4;) und substituierte Silane. Hier und in den beigefügten Ansprüchen kann ein substituiertes Silan allgemein durch die Formel SiABCD ausgedrückt werden, worin jeder der Bestandteile A, B, C und D ein beliebiges Element oder eine beliebige Kombination von Elementen sein kann, solange mindestens einer der Bestandteile A, B, C und D nicht Wasserstoff ist, wobei A, B, C und D unter Wasserstoff, einem Halogen, einer Sauerstoff enthaltenden Gruppe (d. h. OSi(CH&sub3;)&sub3;), einer Stickstoff enthaltenden Gruppe (d. h. NHSi(CH&sub3;)&sub3;), einer Alkylgruppe, einer Arylgruppe, einer Silylgruppe oder einer Gruppe, die mehrere Siliciumatome enthält, ausgewählt werden können. Beispiele für derartige substituierte Silane umfassen: Alkylsilane, wie Methylsilan ((CH&sub3;)SiH&sub3;), Dimethylsilan ((CH&sub3;)&sub2;SiH&sub2;), Trimethylsilan ((CH&sub3;)&sub3;SiH) und Tetramethylsilan (Si(CH&sub3;)&sub4;); halogenierte Silane, wie Dichlorsilan (H&sub2;SiCl&sub2;); halogenierte Methylsilane, wie Trimethylsiliciumbromid ((CH&sub3;)&sub3;SiBr) und Dichlordimethylsilan ((CH&sub3;)&sub2;SiCl&sub2;); Siloxane, wie Hexamethyldisiloxan ((CH&sub3;)&sub3;SiOSi(CH&sub3;)&sub3;); Silazane, wie Hexamethyldisilazan ((CH&sub3;)&sub3;SiNHSi(CH&sub3;)&sub3;); und Siliciumhalogenide, wie Siliciumtetrachlorid (SiCl&sub4;). Cyclische und polymere Siliciumverbindungen gehören ebenfalls zum Schutzumfang der Erfindung. Gegebenenfalls können Gemische beliebiger der vorstehenden, Silicium enthaltenden Reaktanten eingesetzt werden. Silan ist der gegenwärtig bevorzugte Silicium enthaltende Reaktant, und zwar im Hinblick auf die Qualität des Produkts.
Der zweite, Stickstoff enthaltende Reaktant ist vorzugsweise ein Hydronitrid, wie Ammoniak (NH&sub3;), das gegenwärtig bevorzugt ist, oder Hydrazin (N&sub2;H&sub4;). Obwohl Hydronitride bevorzugt sind, gehören beliebige Stickstoff enthaltende Reaktanten, die zur Reaktion mit dem ersten Reaktanten unter Bildung von Nitridprodukten imstande sind, zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung. Weitere Beispiele für geeignete Stickstoff enthaltende Reaktanten umfassen z. B. Amine und Stickstoffhalogenide, wie NCl&sub3;.
Der Brennstoff, der durch die Düsen 46 a-c eingeführt wird, ist vorzugsweise ein ungesättigter Kohlenwasserstoff (mit mindestens einer Doppel- oder Dreifachbindung zwischen Kohlenstoffatomen), wie beispielsweise Ethylen, Propylen, Buten, Propadien, Butadien, Acetylen, Propin, Butin und Gemische davon. Ein besonders bevorzugter ungesättigter Kohlenwasserstoff-Brennstoff ist ein Gemisch aus Ethylen und Acetylen. Es wurde festgestellt, daß der Einsatz von Acetylen im Brennstoff die Temperatur in der Reaktionszone, die nachstehend erörtert wird, z. B. im Vergleich zu Ethylen allein erhöht, was günstig ist, um den Sauerstoffgehalt im Produktpulver zu minimieren, und was ferner günstig ist, wenn ein Reaktant, wie Dichlordimethylsilan, verwendet wird, der eine höhere Temperatur als einige andere Reaktanten benötigt, um eine gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen. Eine weitere bevorzugte Gruppe von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen sind cyclische Kohlenwasserstoffe, wie Cyclopropan, Cyclobutan und Gemische davon. Weitere Arten von Brennstoffen, wie feste Brennstoffe, die im wesentlichen reinen Kohlenstoff umfassen, und Brennstoffgemische gehören zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung, solange die gewünschten Temperaturbedingungen und das gewünschte Kohlenstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis, das nachstehend erörtert wird, im Reaktor erzielt werden.
Das eingesetzte Oxidationsmittel sollte imstande sein, Elektronen vom Brennstoff aufzunehmen, und vorzugsweise handelt es sich um ein Sauerstoff enthaltendes Gas, insbesondere um reinen Sauerstoff. Gasförmige Gemische, die Sauerstoff als eine Komponente umfassen, wie Luft, gehören zum Schutzumfang der Erfindung.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren zum Betrieb der erläuterten Vorrichtung wird ein Strom von Kühlmittel in bezug auf die Düsen 46 a-c und 54 gestartet, und dann wird der Reaktor allmählich auf normale Betriebstemperaturen aufgeheizt. Dies erfolgt, um einen Temperaturschock und einen möglichen Bruch der verschiedenen hitzebeständigen Materialien zu vermeiden. Ein Verfahren für diese Vorheizstufe beinhaltet das anfängliche elektrische Heizen der hitzebeständigen Schichten mit elektrischen Heizpatronen (nicht gezeigt) und das Aufheizen der Kammer 12 mit einem elektrischen Wendelheizer (nicht gezeigt), der in die Kammer 12 eingeführt wird, und die anschließende Einrichtung einer Verbrennungsflamme in der Verbrennungszone 12a.
In jedem Fall wird die Verbrennungsflamme in der Verbrennungszone 12a durch Einschalten eines Stroms von gasförmigem Brennstoff durch die Düsen 46 a-c eingerichtet. Wenn der Reaktor elektrisch vorgeheizt worden ist, dann sollte der Brennstoff spontan eine Flamme durch Reaktion mit umgebender Luft am stromabwärtigen Ende 18 der Kammer 12 einrichten. Wenn sich die Verbrennungsflamme nicht bildet, dann kann der Brennstoff durch eine geeignete Zündvorrichtung entzündet werden. Nachdem die Flamme eingerichtet ist, wird ein Strom von Luft durch die Düsen 46 a-c eingeschaltet, so daß ein Brennstoff/Luft-Gemisch gebildet wird. Dies führt dazu, daß sich die Flamme stromaufwärts ausbreitet, so daß die Flamme sich selbst in der Verbrennungszone 12a einrichtet. Das Ausbreiten der Flamme auf diese Weise kann für die Person, die das Verfahren durchführt, gefährlich sein, so daß geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden müssen. Der Reaktor wird typischerweise mit diesem Brennstoff/Luft-Gemisch für eine festgelegte Zeitspanne, üblicherweise 1/2 Stunde bis 1 Stunde, betrieben. Der Betrieb des Reaktors mit Luft als Oxidationsmittel ist Teil der zunächst erfolgenden Inbetriebnahme des Reaktors, um den Reaktor allmählich aufzuheizen.
Ein Strom von reinem Sauerstoff wird dann durch die Düsen 46 a-c eingeleitet, so daß die Luft ersetzt wird. Der Strom von Sauerstoff wird allmählich verstärkt, und der Luftstrom wird allmählich verringert, bis ein brennbares Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch erhalten wird. Die Verbrennungsflamme sollte visuell durch das stromabwärtige Ende 18 überwacht werden, um sicherzustellen, daß die Flamme nicht in die Stromaufwärtsrichtung zurückschlägt, so daß sie in die Düsen 46 a-c eintritt und einen möglicherweise gefährlichen Zustand verursacht. Ein Zurückschlagen kann verhindert werden, indem für eine ausreichend hohe Geschwindigkeit von Brennstoff und Sauerstoff, die aus den Düsen 46 a-c austreten, gesorgt wird.
Auf diese Weise wird ein Strom des Brennstoff/Sauerstoff-Gemisches in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Achse 14, wie es bei 89 gezeigt ist, eingerichtet, und die Strömungsgeschwindigkeiten von Brennstoff und Sauerstoff werden in Vorbereitung der Nitridherstellung vergleichsweise brennstoffreich eingestellt. Das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für das Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch beträgt vorzugsweise mindestens etwa 0,7:1, liegt insbesondere im Bereich von etwa 0,8:1 bis etwa 1,2:1 und ganz bevorzugt im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1. In der vorliegenden Anmeldung bedeutet das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff das molare Verhältnis von Kohlenstoffatomen zu Sauerstoffatomen. Die Verweilzeit des brennbaren Gemisches und der heißen Verbrennungsprodukte, die daraus gebildet werden, in der Verbrennungszone 12a beträgt typischerweise etwa 5 bis etwa 20 Millisekunden, was eine ausreichende Zeit ist, um im wesentlichen den gesamten Sauerstoff zu verbrauchen, bevor die Grenze 20 erreicht wird. Die Temperaturbedingungen in der Verbrennungszone 12a sind typischerweise etwa 1700ºC bis etwa 2000ºC. Heiße Verbrennungsprodukte, die in der Verbrennungszone 12a gebildet werden, strömen hin zur Reaktionszone 12b und in diese hinein, wie es bei 90 gezeigt ist.
Die gasförmigen Reaktanten werden nun in die Kammer 12 aus dem Reaktionsdüsenauslaß 56 eingeführt, wie es bei 91 gezeigt ist, und zwar so, daß die Reaktanten aus dem Auslaß 56 an der Grenze 20 in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Kammerachse 14 und vorzugsweise allgemein entlang der Kammerachse 14 und hin zum stromabwärtigen Ende 18 austreten. Gemäß der erläuterten Ausführungsform werden der erste und der zweite Reaktant vorgemischt, so daß man ein gewünschtes molares Verhältnis der ersten Komponente zu Stickstoff typischerweise von etwa 1:1 bis etwa 1:4 erzielt, wenn Silicium die erste Komponente ist. Ein derartiges Gemisch wird durch die Düse 54 geleitet, so daß es aus dem Auslaßende 56 in die Kammer 12 austritt. Wenn der erste eingesetzte Reaktant normalerweise eine Flüssigkeit ist, so wird dieser erste Reaktant in besonders zweckmäßiger Weise in die Dampfform überführt, indem er in einen Gasspüler gegeben wird und ein Spülgas durchgeleitet wird. Die Temperatur des Kühlmittels, das durch die Düse 54 strömt, kann im nötigen Ausmaß erhöht werden, um dazu beizutragen, eine Kondensation des ersten Reaktanten zu verhindern, wenn er durch die Düse 54 tritt.
Die Strömungsgeschwindigkeiten werden so eingestellt, daß das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination aus den Reaktanten und dem Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch (Gesamtverhältnis) mindestens etwa 0,7:1, vorzugsweise etwa 0,8:1 bis etwa 1,2:1 und insbesondere etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1 beträgt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorstehenden Bereiche für das Verhältnis die gleichen sind wie die, die zuvor für das Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch allein (Verbrennungsverhältnis) angegeben wurden. Dies hat seinen Grund darin, daß kein zusätzlicher Kohlenstoff oder Sauerstoff in der Reaktionszone zur Bildung der Nitridverbindung erforderlich ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Verwendung von bestimmten Reaktanten mit Kohlenstoff und/oder Sauerstoff darin (d. h. Alkylsilane, Siloxane und dergl.), die zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung gehören, dazu führt, daß das Gesamtverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff sich geringfügig von dem Verbrennungsverhältnis unterscheidet. Ein Kohlenstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis in den vorstehend angegebenen Bereichen ist günstig, um eine reduzierende Atmosphäre aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff anstelle von oxidierenden Spezies, wie Kohlendioxid und Wasser, zu bilden, wobei man annimmt, daß dies die Bildung von Nitriden anstelle von unerwünschten Oxiden fördert. Die Wahl eines Verbrennungsverhältnisses innerhalb der angegebenen Bereiche sowie eines Gesamtverhältnisses innerhalb dieser Bereiche verbessert besonders die Bedingungen, die für die Bildung von Nitriden günstig sind.
Um die Bildung von geringen Mengen einer Carbidverbindung zusammen mit der Nitridverbindung zu minimieren oder zu vermeiden, ist es besonders bevorzugt, ein molares Verbrennungselementverhältnis und ein molares Gesamtelementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff von nicht mehr als etwa 1 einzusetzen. Dies dient dazu, die Möglichkeit zu minimieren, daß freier Kohlenstoff in der Reaktionszone 12b für eine Reaktion mit dem ersten Reaktanten verfügbar ist.
Es ist im allgemeinen bevorzugt, ein Massenverhältnis von nicht mehr als etwa 0,3 einzusetzen. Wenn es gewünscht ist, die Bildung von elementarem Silicium in dem Produkt des Reaktors zu minimieren, dann wird es allgemein bevorzugt, ein Massenverhältnis von weniger als etwa 0,1 einzusetzen, wobei ein Massenverhältnis von mindestens etwa 0,1, jedoch von nicht mehr als etwa 0,3 bevorzugt ist, wenn elementares Silicium in einem derartigen Produkt erwünscht ist. Hier und in den beigefügten Ansprüchen ist der Ausdruck "Massenverhältnis" als das Verhältnis der Synthesegeschwindigkeit (d. h. g/min) zur gesamten Massenstromgeschwindigkeit (d. h. g/min) aus dem Brennstoff plus dem Oxidationsmittel in die Verbrennungszone 12a definiert. Der Ausdruck "Synthesegeschwindigkeit" (d. h. g/min) ist als (m x f)/n definiert, worin m das Molekulargewicht (d. h. g/Mol) der Nitridverbindung darstellt, f die gesamte Molstromgeschwindigkeit (d. h. Mol/min) der Atome der ersten Komponente in die Reaktionszone 12b darstellt und n die Anzahl der Atome der ersten Komponente (d. h. Silicium) in der Nitridverbindung darstellt. Die Synthesegeschwindigkeit ist ein theoretischer Wert, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des ersten Reaktanten ist und der eine Reaktion zu 100 % der Atome der ersten Komponente unter Bildung der Nitridverbindung annimmt. In der tatsächlichen Praxis tritt natürlich eine Umwandlung zu 100 % nicht auf, und ein gewisser Verlust tritt durch Bildung von Ablagerungen auf den Wänden der Kammer 12, den Wänden der Rohrleitung 60 und dergl. ein.
Die Temperaturbedingungen für mindestens einen Abschnitt der Reaktionszone 12b betragen mindestens etwa 1300ºC und liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 1300ºC bis etwa 1700ºC und insbesondere im Bereich von etwa 1400ºC bis etwa 1600ºC. Die Temperaturbedingungen im Reaktor können in besonders zweckmäßiger Weise mittels eines Thermoelementes (nicht gezeigt) überwacht werden, das in einer der hitzebeständigen Schichten angeordnet ist. Die Temperatur, die durch das Thermoelement festgestellt wird, kann mit den tatsächlichen Temperaturbedingungen im Reaktor korreliert werden. Selbstverständlich kann ein Thermoelement direkt in der Kammer 12 angeordnet werden, dies erfordert jedoch die Verwendung von teuren Materialien, wie Platin und/oder Rhodium, die dennoch einer Beeinträchtigung aufgrund der hohen Temperaturen in der Kammer 12 unterliegen.
Die Druckbedingungen in der Reaktionszone 12b liegen vorzugsweise bei oder nahe atmosphärischem Druck. Andere Betriebsdrucke gehören zum Schutzumfang der Erfindung.
In der Reaktionszone 12b wird ein Produktpulver aus den Reaktanten gebildet, das die gewünschte Nitridverbindung und weitere Komponenten, die nachstehend weiter erörtert werden, umfaßt. Das Produktpulver tritt aus dem Reaktor durch das stromabwärtige Ende 18 aus und tritt in und durch die Rohrleitung 60 in die Auffangvorrichtung. Nachdem die gewünschte Menge an Produktpulver aufgefangen worden ist, wird der Reaktor heruntergefahren, indem zuerst auf Luft als Oxidationsmittel umgeschaltet wird und dann allmählich die Brennstoff/Oxidationsmittel-Strömungsgeschwindigkeiten verringert werden, um für eine allmähliche Abkühlung des Reaktors zu sorgen. Nach dem Herunterfahren läßt man den Reaktor typischerweise mehrere Stunden abkühlen, bevor die Zufuhr von Kühlmittel zu den Düsen beendet wird.
In Fig. 5 ist ein weiterer Reaktor 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Struktur der verschiedenen hitzebeständigen Schichten des Reaktors 110 entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Struktur. Die Verbrennungsdüsen, von denen die Düsen 146a und 146b in Fig. 5 gezeigt sind, sind ähnlich wie die in den Figg. 1 und 2 gezeigten Verbrennungsdüsen angeordnet, und sie weisen die gleiche Struktur wie die in Fig. 3 gezeigten Verbrennungsdüsen auf. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 1 im Hinblick auf die Reaktantendüse 154, die von einem hitzebeständigen Rohr 155 aufgenommen wird, so daß sie sich radial durch die verschiedenen hitzebeständigen Schichten und in die Kammer 112 erstreckt. Wie gezeigt ist, ist die Längsachse 157 der Düse 154 im allgemeinen senkrecht zur Längsachse 114 der Kammer 112. In Fig. 5 ist es zwar nicht sichtbar, die Düse 154 weist jedoch einen Auslaß, der bei 156 gezeigt ist, auf, der im wesentlichen auf der Kammerachse 114 angeordnet ist, so daß er dem stromabwärtigen Ende 118 der Kammer 112 gegenüberliegt.
In Fig. 6 bilden die Verbrennungsdüsenauslasse 148a, 148b und 148c eine lineare Grenze 161 und sind relativ zum Reaktionsdüsenauslaß 156 der Düse 154 auf eine ähnliche Weise angeordnet, wie es in Fig. 2 im Hinblick auf die Verbrennungsdüsenauslasse 48a-c und den Reaktionsdüsenauslaß 56 gezeigt ist.
In Fig. 7 ist ein Querschnitt einer Reaktionsdüse 154 gezeigt. Die Düse 154 umfaßt rohrförmige Elemente 176a und 176b, die entsprechend den inneren und äußeren Seitenwänden 76a und 76b der Düse 54 angeordnet sind. Kühlmittel strömt durch den Durchgang, der zwischen den rohrförmigen Elementen 176a und 176b gebildet wird, durch den Einlaßweg 184 und den Auslaßweg 186, und Reaktanten werden vom Inneren des rohrförmigen Elements 176a aufgenommen, wie es bei 179 gezeigt ist. Die Düse 154 umfaßt ferner eine Spitze 192, die mit den Enden der rohrförmigen Elemente 176a und 176b durch eine geeignete Einrichtung, wie Schweißverbindungen, verbunden ist. Ein L-förmiger Durchlaß 194 wird durch die Spitze 192 gebildet, so daß er sich von einem ersten Ende, das in Verbindung mit dem Inneren des rohrförmigen Elements 176a steht, zu einem zweiten Ende, das den Auslaß 156 bildet, erstreckt. Vorzugsweise besteht die Spitze 192 aus einem Metall, wie Nickel oder Kupfer, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, wodurch eine rasche Übertragung von Wärme von der Spitze 192 zu dem Kühlmittel ermöglicht wird, so daß eine Überhitzung und ein mögliches Schmelzen der Spitze vermieden wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß in der Düse 154 keine Einrichtung vorgesehen ist, um einen Strom von Spülgas um die Reaktanten bereitzustellen. Dieses Merkmal wird in dieser Ausführungsform ausschließlich aufgrund der Einfachheit des Aufbaus weggelassen, und es könnte bei der Düse 154 gegebenenfalls vorgesehen werden.
Ein Betrieb der in den Figg. 5 bis 7 gezeigten Ausführungsform erfolgt auf eine Weise ähnlich dem Verfahren, das für die Ausführungsform der Figg. 1 bis 4 beschrieben wurde. Ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel, vorzugsweise reinem Sauerstoff, wird aus den Verbrennungsdüsen in die Verbrennungszone 112a in einer Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone 112b eingeführt, wie es bei 189 gezeigt ist. Heiße Verbrennungsprodukte, die in der Verbrennungszone 112a gebildet werden, strömen im allgemeinen hin zur Reaktionszone 112b und in diese Reaktionszone, wie es bei 190 gezeigt ist. Die Pfeile bei 190 sind zwar als gerade Linien gezeigt, um die allgemeine Richtung der Strömung der Verbrennungsprodukte zu zeigen, es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß eine gewisse Turbulenz sich durch die Strömung um die Düse 154 ergibt. Schließlich treten die Reaktanten aus dem Auslaß 156 der Reaktionsdüse 154 an der Grenze 120 in einer Richtung im allgemeinen entlang der Kammerachse 114 und hin zum stromabwärtigen Ende 118 aus, wie es bei 191 gezeigt ist.
In der nachstehenden Beschreibung der Produkte, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, soll der Ausdruck "Gewichtsprozent", wenn er für eine Komponente einer Zusammensetzung verwendet wird, sich auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung beziehen.
Das direkt aus dem Reaktor aufgefangene Produktpulver, das nachstehend als "rohes" Pulver bezeichnet wird, weist allgemein ein gelblichbraunes oder weißes Aussehen auf, und im Fall von Silicium als erster Komponente enthält es Siliciumnitrid, Silicium zusätzlich zu dem im Siliciumnitrid und gemäß einem Aspekt der Erfindung - vorzugsweise nicht in elementarer Form - Kohlenstoff und Sauerstoff. Ein derartiges Rohproduktpulver gemäß diesem Aspekt ist durch die folgenden Gewichtsprozentsätze charakterisiert: Silicium in einer Menge von etwa 40 bis etwa 75 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 50 bis etwa 70 Gew.-% und ganz besonders in einer Menge von etwa 55 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-%; Stickstoff in einer Menge von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 15 bis etwa 35 Gew.-% und ganz besonders in einer Menge von etwa 25 bis etwa 35 Gew.-%; Kohlenstoff in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 bis etwa 6 Gew.-% und ganz besonders in einer Menge von etwa 1 bis etwa 3 Gew.-%; und Sauerstoff in einer Menge von etwa 1 bis etwa 30 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% und ganz besonders in einer Menge von etwa 1 bis etwa 15 Gew.-%. Wasserstoff kann im Rohprodukt in geringen, jedoch nachweisbaren Mengen zwischen 0 und etwa 1 Gew.-% ebenfalls vorhanden sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Rohproduktpulvers enthält ein derartiges Rohproduktpulver Siliciumnitrid, Kohlenstoff, Sauerstoff und Silicium zusätzlich zu dem im Siliciumnitrid, wobei ferner mindestens ein Anteil des Siliciums im Rohproduktpulver in Form von kristallinem elementarem Silicium vorliegt. Ein derartiges Rohproduktpulver ist ferner durch die folgenden Gewichtsprozentsätze charakterisiert: Silicium in einer Menge von etwa 55 bis etwa 75 Gew.-% und, enger definiert, in einer Menge von etwa 65 bis etwa 75 Gew.-%; Stickstoff in einer Menge von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% und, enger definiert, in einer Menge von etwa 15 bis etwa 35 Gew.-%; Kohlenstoff in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-% und, enger definiert, in einer Menge von etwa 1 bis etwa 6 Gew.-%; und Sauerstoff in einer Menge von etwa 1 bis etwa 15 Gew.-% und, enger definiert, in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Rohproduktpulver kann weiter insoweit charakterisiert werden, als eine Probe eines derartigen Pulvers mit einem vergleichsweise hohem Sauerstoffgehalt im Bereich von etwa 5 bis etwa 15 Gew.-% zu einem gesinterten keramischen Teil mit einer Dichte von mindestens etwa 2,7 g/cm³ oder etwa 85 % der Dichte von reinem kristallinem Siliciumnitrid gemäß einem Verfahren gesintert werden kann, das die folgenden Stufen umfaßt: Pressen des Rohprodukts zu einem gepreßten keramischen Teil; Erwärmen des gepreßten Teils auf eine Temperatur von etwa 1500ºC bis etwa 1900ºC ohne Anwendung einer Verdichtungskraft, so daß ein gesintertes Teil mit einer Dichte von mindestens etwa 2,7 g/cm³ gebildet wird; wobei keinerlei Stufen vor der Erwärmungsstufe zur Entfernung irgendwelcher nennenswerter Mengen an Sauerstoff aus dem Rohprodukt oder dem daraus hergestellten gepreßten Teil durchgeführt werden. Hier bezieht sich der Ausdruck "Pressen" auf eine beliebige Technik zur Herstellung einer selbsttragenden Form aus keramischen Teilchen. Außerdem bedeutet hier die Anwendung einer "Verdichtungskraft" auf ein keramisches Teil die Anwendung einer Kraft auf das Teil mittels eines festen Elements in Kontakt mit dem Teil, das mechanisch das Teil verdichtet, wobei seine Dichte erhöht wird.
Eine Röntgenfluoreszenzanalyse des Rohprodukts zeigt, daß das Produkt weniger als etwa 500 ppm an Elementverunreinigungen enthält, wobei derartige Elementverunreinigungen Aluminium und die Elemente mit höherer Ordnungszahl mit Ausnahme von Silicium bis zu einschließlich Uran umfassen. Zahlreiche dieser Verunreinigungen verringern in unerwünschter Weise die Festigkeit der gesinterten Nitridteile, die aus dem Produktpulver hergestellt werden.
Einzelne Teilchen des Rohprodukts sind hochgradig gleichförmig und weisen Durchmesser im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,5 µm auf. Gleichförmige Submikron-Teilchen sind eine wichtige Eigenschaft bei der Herstellung von feinkörnigen, hochfesten Teilen aus einem Nitridpulver.
Das Rohproduktpulver kann weiter durch zusätzliche Verarbeitung gereinigt werden, wobei man ein gereinigtes Produkt mit höherer Kristallinität erhält. Dieses Reinigungsverfahren beinhaltet typischerweise zwei Stufen, die in einem herkömmlichen Ofen mit kontrollierter Atmosphäre durchgeführt werden. Zuerst wird das rohe Pulver in Gegenwart eines Stickstoff enthaltenden Gases, wie reinem Stickstoffgas, auf eine Temperatur von etwa 1300ºC bis etwa 1900ºC und insbesondere auf etwa 1400ºC bis etwa 1700ºC für mindestens etwa 15 Minuten und insbesondere für etwa 1 bis etwa 2 Stunden erwärmt. Dies dient dazu, molekulare Strukturen mit Silicium-Sauerstoff-Bindungen mit Kohlenstoff umzusetzen, um dabei Sauerstoff als Kohlenmonoxid zu entfernen und das Silicium für eine Umsetzung mit dem Stickstoff enthaltenden Gas unter Bildung weiteren Siliciumnitrids zur Verfügung zu stellen. Typischerweise weist das Rohproduktpulver nicht ausreichend Kohlenstoff auf, um einen wesentlichen Teil des Sauerstoffs zu entfernen, was die Zugabe von Kohlenstoff zu dem rohen Pulver vor dem Erwärmen in dem Stickstoff enthaltenden Gas erforderlich macht. Zweitens wird das Pulver, das nach der ersten Reinigungsstufe erhalten wird, in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 600ºC bis etwa 900ºC und insbesondere auf etwa 600ºC bis etwa 700ºC für eine Zeitspanne von mindestens etwa 15 Minuten und vorzugsweise von etwa 30 Minuten bis etwa 2 Stunden erwärmt. Diese Stufe verbrennt den restlichen Kohlenstoff zu Kohlenoxiden, wobei man ein hochreines Produkt erhält.
Einzelne Teilchen des gereinigten Produkts in Form eines Pulvers weisen Durchmesser im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm auf. Das gereinigte Produkt ist jedoch durch einen erheblichen Anteil an Teilchen mit Durchmessern von 1 µm und weniger charakterisiert.
Das rohe oder das gereinigte Produkt kann zu wärmebeständigen, hochfesten Teilen auf herkömmliche Weise gesintert werden. Zum Beispiel können geeignete Mengen von Additiven, wie Yttriumoxid und Aluminiumoxid, zu dem Produkt gegeben werden, und anschließend erfolgt ein Pressen des Produkts zu der gewünschten Form und ein Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 1500ºC bis etwa 1900ºC.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorstehende Beschreibung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft, daß jedoch zahlreiche Variationen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs bestimmter Aspekte der Erfindung möglich sind.
Zum Beispiel gehört es zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung, eine Mehrzahl von Reaktantendüsen mit entsprechenden Auslassen, die beispielsweise um die Längsachse der Reaktorkammer angeordnet werden können, bereitzustellen, obwohl nur eine einzige Reaktantendüse in den erläuterten Ausführungsformen bereitgestellt wird.
Weitere Variationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beinhalten verschiedene Reaktanten und/oder Brennstoffe. Zum Beispiel ist es möglich, Stickstoff aus dem ersten Reaktanten (d. h. Silazan) oder Stickstoff, der in der Verbrennungszone gebildet wird, als Quelle für Stickstoff bei der Bildung der Nitridverbindung zu verwenden, wobei in diesem Fall der zweite, Stickstoff enthaltende Reaktant weggelassen werden kann. Es ist in einer derartigen Ausführungsform günstig, ein Trägergas, wie Helium, Argon, Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Gemische davon im Gemisch mit dem ersten Reaktanten zu verwenden, um den ersten Reaktanten in die Reaktorkammer zu tragen. Da ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff als ein Abgas durch den Reaktor gebildet wird, kann der Reaktor als zweckmäßige Quelle für ein derartiges Trägergas dienen. Eine weitere mögliche Variation beinhaltet den Einsatz eines Brennstoffs, der einen ungesättigten Kohlenwasserstoff sowie Mengen an anderen Typen von Kohlenwasserstoffen, wie gesättigte Kohlenwasserstoffe, enthält. Dies führt im allgemeinen jedoch zu einer Verringerung der Wärme, die durch die Verbrennungsreaktion gebildet wird, so daß möglicherweise eine zusätzliche Heizquelle (z. B. elektrisch, Plasma, Mikrowelle, Verbrennungszonen außerhalb der Reaktorkammer, die jedoch in Wärmeaustauschbeziehung mit der Kammer stehen, und dergl.) erforderlich ist, um die gewünschten Temperaturbedingungen in der Reaktionszone zu erzielen. In jedem Fall ist es bevorzugt, daß die heißen Verbrennungsprodukte, wie sie durch die Verbrennung in der Verbrennungszone gebildet werden, mindestens etwa 15 % der Energie, die erforderlich ist, um die gewünschten Temperaturbedingungen bei mindestens etwa 1300ºC in der Reaktionszone zu halten, bereitstellen.

Beispiele

Es werden nun spezielle Beispiele beschrieben, um die Erfindung weiter zu erläutern. Diese Beispiele dürfen nicht dahingehend mißverstanden werden, daß sie die Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
In jedem der nachstehenden Beispiele werden die verschiedenen Gasströmungsgeschwindigkeiten in Mol/Minuten (nachstehend abgekürzt als Mol/min) angegeben. Die tatsächlichen Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten erfolgten volumetrisch bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck in Einheiten von Liter/Minute. Diese volumetrischen Messungen wurden in Mol/min unter der Annahme umgerechnet, daß ein beliebiges Gas bei 25ºC (Raumtemperatur) und atmosphärischem Druck 24,45 Liter/Mol ausmacht. Alle nachstehend angegebenen Strömungsgeschwindigkeiten für Gase sind unverdünnt mit anderen Gasen (d. h. Trägergasen).
Für die Ergebnisse von Analysen, die in verschiedenen Tabellen angegeben sind, wurden die Gewichtsprozentsätze an Kohlenstoff und Stickstoff durch CHNS-Verbrennungsanalyse, die Prozentsätze an Silicium durch Röntgenfluoreszenzanalyse und die Prozentsätze an Sauerstoff durch Neutronenaktivierungsanalyse erhalten. In jedem Beispiel, in dem eine Analyse durchgeführt wurde, zeigte die CHNS-Analyse nachweisbare Mengen an Wasserstoff. Die nachgewiesenen Mengen an Wasserstoff betrugen jedoch weniger als 1 Gew.-% und werden in den nachstehenden Beispielen nicht angegeben. Ergebnisse für Gewichtsprozentsätze, die vorgelegt werden, sind nicht auf 100 % normiert worden. Abweichungen von 100 % sind normalen Ungenauigkeiten der Analyse zuzuschreiben.
Im Hinblick auf die Terminologie und Benennung, die nachstehend verwendet wird, ist darauf hinzuweisen, daß alle Ablesungen in Grad, die durch Röntgenbeugung erhalten wurden, für einen Winkel von 2Θ gelten.
Im Hinblick auf die Ablagerungen im Reaktor, über die in mehreren nachstehenden Beispielen berichtet wird, ist festzustellen, daß derartige Ablagerungen nicht quantitativ im Hinblick auf die Dicke oder dergl. gemessen wurden, sondern daß visuelle Beobachtungen nach Abschluß der verschiedenen Ansätze gemacht wurden. Diese Beobachtungen werden in den nachstehenden Beispielen als geringfügig, mäßig und stark angegeben, um die Vergleichbarkeit der Ablagerungen, die für verschiedene Ansätze erhalten wurden, wiederzugeben.

Beispiel I

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Bildung von Siliciumnitrid mit einem Reaktor, der im wesentlichen dem in den Figg. 1 bis 4 gezeigten Reaktor entsprach, zu zeigen.
Bei dem Reaktor dieses Beispiels wurde ein Dacron -Filterbeutel verwendet, um Produktpulver, das aus einer Quarzleitung mit einem Ende in Verbindung mit dem stromabwärtigen Ende des Reaktors austrat, aufzufangen. Wichtige Abmessungen des Reaktors sind in Tabelle IA angegeben. Tabelle IA Posten Abmessung Durchmesser der Kammer 12 Gesamtlänge der Kammer 12 Länge der Verbrennungszone 12a Länge der Reaktionszone 12b gesamter Außendurchmesser des Reaktors 10 Außendurchmesser des rohrförmigen Elements Innendurchmesser des rohrförmigen Elements
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurden drei Ansätze durchgeführt, bei denen ein Gemisch von Ethylen und Acetylen als Brennstoff und reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wurden. Die Strömungsgeschwindigkeiten für Ethylen, Acetylen und Sauerstoff in jedem der Ansätze betrugen 1,31 Mol/min, 0,33 Mol/min bzw. 1,57 Mol/min. Entsprechend betrug das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff in dem brennbaren Gemisch (C:O-Verbrennungsverhältnis) nur 1,04. Da die Reaktanten keine Kohlen- oder Sauerstoffatome enthalten, wie nachstehend zu ersehen ist, betrug das Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination aus den Reaktanten und dem brennbaren Gemisch (C:O-Gesamtverhältnis) ebenfalls 1,04. Tabelle IB faßt weitere Daten für die Ansätze 1 bis 3 zusammen, bei denen Silan (SiH&sub4;) und Ammoniak (NH&sub3;) als Reaktanten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt wurden. Tabelle IB zeigt auch die Strömungsgeschwindigkeit für Helium (He) als Spülgas durch die Reaktantendüse, die Synthesegeschwindigkeit, die Ansatzzeit, die aufgefangene Produktmasse, das Massenverhältnis und die Ergebnisse der Produktanalyse. Die aufgefangene "Produktmasse" ist die Masse an Rohprodukt, die tatsächlich im Filterbeutel nach Abschluß des jeweiligen Ansatzes aufgefangen wurde. Die Ausdrücke "Synthesegeschwindigkeit" und "Massenverhältnis" wurden bereits definiert. Bei der Bestimmung der Synthesegeschwindigkeit wird angenommen, daß das Molekulargewicht von Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) etwa 140 g/Mol beträgt und daß die Molstromgeschwindigkeit von Siliciumatomen in die Reaktionszone äquivalent zur Strömungsgeschwindigkeit von SiH&sub4; ist, die in Tabelle IB angegeben ist. Bei der Bestimmung des Massenverhältnisses werden die Molstromgeschwindigkeiten (Mol/min) für Brennstoff und Sauerstoff, wie sie in Tabelle IB angegeben sind, in Massenstromgeschwindigkeiten (g/min) umgerechnet. Tabelle IB Produktanalyse Zusammensetzung, Gew.-% Ansatz Nr. Synthesegeschw. g/min Zeit min Produktmasse g Massenverhältnis
Die in Tabelle IB zusammengefaßten Ergebnisse für die Produktanalyse zeigen erhebliche Gewichtsprozentsätze an Silicium und Stickstoff. Dies wird als Hinweis auf das Vorliegen von Siliciumnitrid gewertet. Zieht man eine andere mögliche Bindung des Stickstoffs an andere Elemente in Betracht, so kann Stickstoff in Kombination mit Kohlenstoff oder Sauerstoff im allgemeinen nur gasförmige Verbindungen bilden. Daher ist es vernünftig, anzunehmen, daß der in dem festen Produkt vorhandene Stickstoff an mindestens einen Teil des Siliciums gebunden ist. Die Ergebnisse der Produktanalyse zeigen auch einen definitiven Anstieg des Verhältnisses von Silicium zu Stickstoff bei einem Anstieg der Synthesegeschwindigkeit (bei einem konstanten Strom des brennbaren Gemisches) und entsprechend einen Anstieg des Massenverhältnisses.
Die Röntgenbeugungspulveranalyse des im Ansatz 1 hergestellten Rohprodukts ergab ein Beugungsmuster mit zwei sehr breiten Peaks bei einem Winkel zwischen 20º und 40º bzw. zwischen 60º und 80º. Diese breiten Peaks werden als Hinweis auf das Vorliegen eines schlecht kristallisierten Siliciumnitrids gewertet. Man nimmt an, daß jeder dieser breiten Peaks das Ergebnis der Überlappung mehrerer Peaks ist, die Siliciumnitrid charakterisieren. Diesen breiten Peaks ist eine Anzahl von schmaleren Peaks überlagert, die das Vorhandensein von zusätzlichen kristallinen Komponenten unter Einschluß von β-Siliciumcarbid und kristallinem elementarem Silicium zeigen. Peaks bei etwa 35º, 61,5º und 72º werden als Hinweis auf das Vorhandensein einer gewissen Menge an β-Siliciumcarbid gewertet, und ein kleiner Peak bei 28º wird als Hinweis auf das Vorhandensein von elementarem Silicium gewertet.
Das Röntgenbeugungsmuster für das Produkt von Ansatz 2 zeigt breite Peaks bei Winkeln zwischen 20º und 40º sowie zwischen 60º und 80º, was als Hinweis auf schlecht kristallisiertes Siliciumnitrid gewertet wird, und darüber hinaus engere Peaks bei 28º, 35º und 61,5º, was auf elementares Silicium und β-Siliciumcarbid hinweist, wie vorstehend erörtert wurde. Dieses Beugungsmuster weist auch zwei zusätzliche Peaks bei 47º und 56º auf, die ebenfalls als Hinweis auf elementares Silicium gewertet werden.
Schließlich zeigt das Röntgenbeugungsdiagramm für das Produkt von Ansatz 3 einen breiten Peak zwischen 20º und 40º, der als Hinweis auf das Vorhandensein von Siliciumnitrid gewertet wird. Der breite Peak zwischen 60º und 80º in diesem Beugungsmuster ist so stark abgeflacht, daß er kaum wahrnehmbar ist, was auf eine Abnahme der Kristallinität des Produktes als Reaktion auf eine Erhöhung der Synthesegeschwindigkeit und des Massenverhältnisses hinweist. Außerdem zeigt das Beugungsmuster für das Produkt von Ansatz 3 schmalere Peaks bei 28º und 35º, die dem breiten Peak zwischen 20º und 40º überlagert sind und auf das Vorhandensein von elementarem Silicium bzw. β-Siliciumcarbid hinweisen. Weitere Peaks bei 47º und 56º zeigen ebenfalls das Vorhandensein von elementarem Silicium.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß die Amplituden der Peaks für das elementare Silicium mit steigender Synthesegeschwindigkeit und steigendem Massenverhältnis zunehmen, was einen damit verbundenen Anstieg des Gehalts an elementarem Silicium anzeigt.
Das Produkt aus Ansatz 1 wurde ferner im Hinblick auf die Teilchengröße gemäß dem folgenden Verfahren untersucht. Ein kleiner Anteil in der Größenordnung von mg des Produktpulvers wurde in ein Becherglas mit einem Gehalt an 40 cm³ eines Gemisches aus 0,07 Gew.-% Triton-Dispersionsmittel (Rohm & Haas Co., Philadelphia, PA) und destilliertem Wasser gegeben. Die erhaltene Lösung wurde 10 Minuten mit Ultraschall bei einer Leistung von 40 Watt unter Verwendung eines Ultraschallgeräts Modell W-380 (Heat Systems Ultrasonics Inc., Farmingdale, NY) behandelt. Die Teilchengrößenverteilung wurde unter Verwendung eines Teilchenanalysators CAPA-700 (Horiba, Tokyo, Japan) gemessen. Die erhaltene Teilchengrößenverteilung zeigt Teilchendurchmesser im Bereich von weniger als etwa 0,04 µm bis etwa 0,3 µm, wobei der größte Prozentsatz (über 50 %) der untersuchten Teilchen in den Teilchendurchmesserbereich von 0,10 bis 0,20 µm fällt.
Es wurden folgende Ablagerungen nach Abschluß der Ansätze 1-3 beobachtet: Ansatz 1 - keine Ablagerungen; Ansatz 2 - geringfügige Ablagerungen auf den oberen 3 Zoll der Reaktorkammerwand; Ansatz 3 - starke Ablagerungen auf den oberen 5 Zoll der Kammerwand.

Beispiel II

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Herstellung von Siliciumnitrid unter Verwendung verschiedener Brennstoffe zusammen mit einem Reaktor gemäß der Bauart, die in den Figg. 1-4 erläutert ist, zu zeigen.
Die Abmessungen des Reaktors dieses Beispiels waren im wesentlichen identisch mit den Abmessungen des in Beispiel 1 beschriebenen Reaktors, mit Ausnahme der Verbrennungsdüsen. Das rohrförmige Element 62 jeder Verbrennungsdüse wies einen Innendurchmesser von 0,257 cm in Ansatz 4 und einen Innendurchmesser von 0,334 cm in Ansatz 5 auf.
Bei Ansatz 4 wurde ein Gemisch aus Acetylen (C&sub2;H&sub2;) und Ethylen (C&sub2;H&sub4;) verwendet, während in Ansatz 5 nur Ethylen als Brennstoff verwendet wurde. Bei jedem der Ansätze wurde Silan mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,269 Mol/min eingesetzt, was eine Synthesegeschwindigkeit von 12,6 g/min ergab, und Ammoniak wurde bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,459 Mol/min eingesetzt. Helium wurde als Spülgas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,628 Mol/min bei jedem Ansatz verwendet. Weitere Verfahrensdaten und auch die Ergebnisse der Produktanalyse sind in Tabelle II zusammengefaßt. Es ist darauf hinzuweisen, daß das in Tabelle II angegebene C:O-Verhältnis das C:O-Verbrennungsverhältnis sowie das C:O-Gesamtverhältnis ist, da diese Verhältnisse in diesem Beispiel äquivalent waren. Tabelle II Produktanalyse Zusammensetzung, Gew.-% Ansatz Nr. C-O-Verhältnis Zeit min Produktmasse g Massenverhältnis
Aus den vorstehenden Daten ist ersichtlich, daß das Produkt von Ansatz 5, bei dem nur Ethylen als Brennstoff verwendet wurde, einen wesentlich höheren Sauerstoffgehalt als das Produkt von Ansatz 4, bei dem ein Gemisch aus Ethylen und Acetylen verwendet wurde, aufwies. Diese Ergebnisse wurden ungeachtet der Tatsache erhalten, daß bei Ansatz 5 höhere Brennstoff- und Sauerstoffströmungsgeschwindigkeiten als in Ansatz 4 eingesetzt wurden.
Röntgenbeugungspulverdiagramme für jedes der Produkte der Ansätze 4 und 5 zeigen einen breiten Peak zwischen 20º und 40º sowie einen breiten Peak zwischen 60º und 80º und außerdem schmalere Peaks bei 35º und 61,5º, die den entsprechenden breiten Peaks überlagert sind, was als Hinweis auf das Vorhandensein von β-Siliciumcarbid gewertet wird. Die in Tabelle II gezeigte Ergebnisse der Produktanalyse geben auch einen Hinweis auf das Vorhandensein von Siliciumnitrid aus den in Beispiel I erörterten Gründen.
Nach Abschluß der Ansätze 4 und 5 wurden folgende Ablagerungen beobachtet: Ansatz 4 - geringfügige Ablagerungen auf den oberen 3 Zoll (76,2 mm) der Reaktorkammerwand; und Ansatz 5 - keine Ablagerungen.

Beispiel III

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Bildung eines hochreinen Siliciumnitrid enthaltenden Produkts unter Verwendung des Reaktors der Figg. 1-4 zu zeigen. In diesem Beispiel wird ferner eine Temperaturmessung in der Reaktionszone vorgelegt, die während der Herstellung von Siliciumnitrid durchgeführt wurde.
Die Abmessungen des Reaktors dieses Beispiels entsprachen im wesentlichen denen, die für den Reaktor von Beispiel I angegeben wurden, mit der Ausnahme des Innendurchmessers des rohrförmigen Elements 62, der 0,257 cm betrug.
Bei dem Ansatz dieses Beispiels, der nachstehend als Ansatz 6 bezeichnet wird, wurden die folgenden Verfahrensbedingungen angewandt: ein Brennstoff aus Ethylen und Acetylen bei Strömungsgeschwindigkeiten von 1,56 Mol/min bzw. 0,65 Mol/min; eine Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit von 2,21 Mol/min; ein C:O-Verbrennungsverhältnis von 1,00; Silan und Ammoniak als Reaktanten bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,147 Mol/min und 0,190 Mol/min; eine Strömungsgeschwindigkeit von Ammoniak als Spülgas von 0,372 Mol/min; ein C:O-Gesamtverhältnis von 1,00; eine Synthesegeschwindigkeit von 6,9 g/min; eine Ansatzzeit von 7 Minuten; eine aufgefangene Produktmasse von 35 g; und ein Massenverhältnis von 0,053.
Die Temperatur der Reaktionszone wurde zu 1542ºC entlang der Reaktorkammerachse und 12,7 cm stromaufwärts vom stromabwärtigen Ende der Kammer 12 von Fig. 1 gemessen. Ein Thermoelement, das bloße Drähte aus verschiedenen Zusammensetzungen umfaßte, wurde eingesetzt, um diese Messung durchzuführen. Ein Draht bestand aus 100 % Iridium, während der andere Draht aus 60 % Iridium und 40 % Rhodium bestand. Die beiden Drähte wurden durch einen elektrischen Isolator mit zwei Löchern geführt, der aus 99,8 % Aluminiumoxid gefertigt war, und der Isolator und die Drähte wurden mit einem Rohr aus 99,8 % Aluminiumoxid mit einem Außendurchmesser von 0,79 cm und geschlossenem Ende umhüllt, um die Drähte vor dem Angriff durch den Siliciumreaktanten zu schützen. Eine Thermoelementverbindung wurde gebildet, indem die Drähte etwa 0,5 cm über das Aluminiumoxidrohr hinaus verlängert und miteinander punktverschweißt wurden. Diese Verbindung wurde auf der Längsachse der Reaktorkammer angeordnet. Da die Reaktorwände isoliert sind und daher im Betrieb eine Temperatur nahe der Temperatur der Gase in der Kammer aufweisen, wurden die Ablesungen des Thermoelements nicht um den Strahlungsfehler korrigiert.
Die Produktanalyse zeigte die folgenden Gewichtsprozentsätze im Hinblick auf das Rohprodukt, das in Ansatz 6 aufgefangen wurde: 57,5 Gew.-% Si; 31,8 Gew.-% N; 1,0 Gew.-% C; und 9,2 Gew.-% O. Diese Ergebnisse zeigen das Vorhandensein von Siliciumnitrid aus den in Beispiel 1 angegebenen Gründen.
Die Röntgenbeugungspulveranalyse des Rohprodukts zeigte einen breiten Peak zwischen etwa 20º und etwa 40º sowie einen breiten Peak zwischen etwa 60º und etwa 80º, die als Hinweis auf das Vorhandensein von Siliciumnitrid gewertet werden. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß das Beugungsmuster keine Peaks zeigte, die auf β-Siliciumcarbid oder elementares Silicium hinweisen.

Beispiel IV

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, das Sintern eines keramischen Teils aus einem Rohprodukt, wie es aus einem Reaktor gemäß der Bauart der Figg. 1 bis 4 aufgefangen wurde, zu zeigen.
Der Reaktor dieses Beispiels entsprach im wesentlichen dem Reaktor von Beispiel III.
Bei dem Ansatz dieses Beispiels, der nachstehend als Ansatz 7 bezeichnet wird, wurden die folgenden Verfahrensbedingungen verwendet: ein Brennstoff aus Ethylen und Acetylen mit Strömungsgeschwindigkeiten von 1,83 Mol/min und 0,45 Mol/min; ein C:O-Verbrennungsverhältnis von 1,03; Strömungsgeschwindigkeiten von Silan und Ammoniak als Reaktanten von 0,137 Mol/min bzw. 0,196 Mol/min; eine Strömungsgeschwindigkeit von Ammoniak als Spülgas von 0,346 Mol/min; ein C:O-Gesamtverhältnis von 1,03; eine Synthesegeschwindigkeit von 6,4 g/min; Ansatzzeit von 565 Minuten; eine aufgefangene Produktmasse von 3354 g; und ein Massenverhältnis von 0,048. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Ansatz 7 tatsächlich aus zwei Ansätzen bestand, die zu verschiedenen Zeiten bei identischen Verfahrensbedingungen durchgeführt wurden. Die Ansatzzeiten und die Produktmassen wurden addiert, um die vorstehenden Werte zu erhalten.
Die Produktanalyse des aufgefangenen Rohprodukts zeigte die folgenden Gewichtsprozentsätze, die aus den in Beispiel 1 angegebenen Gründen als Hinweis auf das Vorhandensein von Siliciumnitrid gewertet werden: 57,4 Gew.-% Si; 28,6 Gew.-% N; 3,2 Gew.-% C; 9,2 Gew.-% O. Die Röntgenbeugungspulveranalyse des Rohprodukts zeigte einen breiten Peak zwischen etwa 20º und etwa 40º sowie einen breiten Peak zwischen etwa 60º und etwa 80º. Diese Peaks sowie die vorstehend genannten Gewichtsprozentsätze werden als Hinweis auf das Vorhandensein von Siliciumnitrid gewertet. Nur eine kleine Schulter bei etwa 35º ist dem ersten Peak überlagert, was möglicherweise auf eine kleine Menge an β-Siliciumcarbid hinweist.
Ein Gemisch aus 89,50 g des Rohprodukts, 1,25 g Dow-Binder (Dow Chemical), 16.50 g Triethylenglykol (Aldrich Chemical), 5,50 g Aluminiumoxid (Buehler, Lake Bluff, IL) und 5,00 g Yttriumoxid (H. C. Starck, Berlin, BRD) wurde unter Verwendung von Burundum-Zylindern (US-Stoneware, Mahwah, NJ) in einem 0,5 Gallonen fassenden Behälter aus Polyethylen hoher Dichte für 20,5 Stunden gemahlen. Das erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung eines Brass-Siebs US-Standard Nr. 40 gesiebt. Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 4,5 cm und einer Dicke von 0,27 cm wurde durch uniaxiales Pressen des Gemisches bei einem Druck von 2000 psi hergestellt. Isostatisches Pressen der Scheibe bei 50 000 psi ergab schließlich eine Scheibe mit einem Durchmesser von 4,1 cm und einer Dicke von 0,26 cm. Die Scheibe wurde in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre nach dem folgenden Verfahren gesintert: Der Ofen wurde auf 200 Millitorr evakuiert; der Druck im Ofen wurde mit Stickstoff auf 5 psig erhöht; der Ofen wurde mit einer Geschwindigkeit von 100ºC/min auf 1000ºC erwärmt; es wurde mit einer Geschwindigkeit von 70ºC/min auf 1250ºC erwärmt und für 10 Minuten bei 1250ºC gehalten; es wurde mit einer Geschwindigkeit von 2,8ºC/min auf 1882ºC erwärmt und für 1,0 Minuten bei 1882ºC gehalten; der Ofen wurde auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die gesinterte Scheibe wies schließlich eine Dichte von 3,14 g/cm³, 99,9 % der "theoretischen Dichte" oder der Dichte von reinem kristallinem Siliciumnitrid, auf.

Beispiel V

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Herstellung von Siliciumnitrid unter Verwendung eines Reaktors ähnlich dem in den Figg. 5 bis 7 gezeigten Reaktor zu zeigen.
Die Abmessungen des Reaktor dieses Beispiels entsprachen im wesentlichen denen, die für den Reaktor von Beispiel 1 angegeben wurden, mit der Ausnahme des Innendurchmessers des rohrförmigen Elements 176a, der 0,333 cm betrug. Selbstverständlich umfaßt die Ausführungsform der Reaktantendüse von Fig. 7 kein rohrförmiges Element, das dem rohrförmigen Element 74 analog ist.
Drei Ansätze wurden bei verschiedenen Synthesegeschwindigkeiten durchgeführt. Bei Ansatz 8 wurde nur eine Reaktantendüse verwendet, deren Auslaß auf der Reaktorkammerachse angeordnet wurde. Bei den Ansätzen 9 und 10 wurden 2 bzw. 4 Reaktantendüsen verwendet. Die Düsen wurden symmetrisch im Abstand um die Kammerachse angeordnet, so daß ihre Spitzen miteinander in Kontakt standen. Die zusätzlichen Reaktantendüsen waren erforderlich, um die erhöhten Reaktantengesamtströmungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Es wurde festgestellt, daß die Reaktantenströmungsgeschwindigkeit durch eine einzelne Reaktantendüse gemäß der Bauart von Fig. 7 auf eine vergleichsweise niedrige Strömungsgeschwindigkeit begrenzt werden mußte, um ein unterbrochenes Strömungsmuster zu vermeiden, das sich aus dem Reaktantenstrom durch den L-förmigen Durchgang in der Spitze ergab.
Die Strömungsgeschwindigkeiten für das brennbare Gemisch betrugen bei jedem Ansatz: 1,26 Mol/min für Ethylen, 0,32 Mol/min für Acetylen, 1,57 Mol/min für Sauerstoff; das C:O-Verbrennungsverhältnis betrug 1,01. Das C:O-Gesamtverhältnis betrug bei jedem Ansatz ebenfalls 1,01.
Weitere Daten sind in Tabelle V zusammengefaßt Tabelle V Produktanalyse Zusammensetzung, Gew.-% Ansatz Nr. Synthesegeschwindigkeit g/min Zeit min Produktmasse g Massenverhältnis
Die Ergebnisse der Produktanalyse in Tabelle V werden als Hinweis auf das Vorhandensein von Siliciumnitrid aus den in Beispiel 1 erörterten Gründen gewertet. Diese Ergebnisse zeigen auch einen Anstieg des Gewichtsverhältnisses von Silicium zu Stickstoff als Reaktion auf die Erhöhung von Synthesegeschwindigkeit und Massenverhältnis.
Ein Röntgenbeugungspulverdiagramm für das Produkt von Ansatz 8 zeigt einen sehr breiten Peak zwischen 20º und 40º, der als Hinweis auf das Vorhandensein von schlecht kristallisiertem Siliciumnitrid gewertet wird. Das Beugungsmuster für das Produkt von Ansatz 9 zeigt ebenfalls einen breiten Peak zwischen 20º und 40º, dem jedoch schmale Schultern bei 28º und 47º überlagert sind, die auf elementares Silicium hinweisen. Das in Fig. 8 gezeigte Beugungsmuster, das für das Produkt von Ansatz 10 erhalten wurde, weist einen breiten Peak ähnlich den Mustern entsprechend der Ansätze 8 und 9 auf, und es zeigt außerdem sehr ausgeprägte schmale Peaks bei 28º, 47º und 56º, die auf elementares Silicium hinweisen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorstehenden Beugungsmuster offensichtlich einen Anstieg des elementaren Siliciums als Reaktion auf eine Erhöhung von Synthesegeschwindigkeit und Massenverhältnis zeigen.
Die beobachteten Ablagerungen wurden nur für Ansatz 10 aufgezeichnet, bei dem festgestellt wurde, daß die Ablagerungen stark bei einer erheblichen Anreicherung auf den Reaktantendüsen waren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Produktpulvers, das eine Nitridverbindung umfaßt, wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt:

Bereitstellung eines Reaktors mit einer darin ausgebildeten Kammer, die eine Längsachse und in Längsrichtung getrennte stromaufwärtige und stromabwärtige Enden aufweist, wobei die Kammer eine Verbrennungszone und eine Reaktionszone umfaßt, so daß die Verbrennungszone sich in Längsrichtung vom stromaufwärtigen Ende bis zu einer Grenzfläche zwischen den Zonen erstreckt und daß die Reaktionszone sich in Längsrichtung von der Grenzfläche zum stromabwärtigen Ende erstreckt;

Einrichtung eines Stroms aus einem brennbaren Gemisch in die Verbrennungszone, so daß es im allgemeinen in Richtung hin zur Reaktionszone strömt, wobei das brennbare Gemisch ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel umfaßt;

Verbrennung des brennbaren Gemisches in der Verbrennungszone unter Bildung heißer Verbrennungsprodukte, die im allgemeinen hin zur Reaktionszone und in die Reaktionszone strömen;

Einführen mindestens eines Reaktanten, der zur Reaktion in der Reaktionszone unter Bildung einer Nitridverbindung imstande ist, in die Kammer aus mindestens einem Auslaß mindestens einer Reaktantendüse, so daß der mindestens eine Reaktant aus dem mindestens einen Reaktantendüsenauslaß an der Grenzfläche in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse austritt, wobei die Temperaturbedingungen in mindestens einem Abschnitt der Reaktionszone mindestens etwa 1300ºC betragen und insbesondere im Bereich von etwa 1300ºC bis etwa 1700ºC liegen und wobei das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination aus dem brennbaren Gemisch und dem mindestens einem Reaktanten mindestens etwa 0,7:1 beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömung des brennbaren Gemisches in die Verbrennungszone durch Einführen des brennbaren Gemisches in die Verbrennungszone aus mindestens einem Auslaß mindestens einer Verbrennungsdüse eingerichtet wird, wobei der mindestens eine Verbrennungsdüsenauslaß mindestens eine lineare Grenze bildet, deren Projektion in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse und auf die Grenzfläche im allgemeinen den mindestens einen Reaktionsdüsenauslaß umgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Reaktionsdüsenauslaß einen einzelnen Reaktionsdüsenauslaß umfaßt, der im wesentlichen auf der Längsachse angeordnet ist, so daß der mindestens eine Reaktant aus dem mindestens einen Reaktionsdüsenauslaß im allgemeinen entlang der Längsachse und hin zum stromabwärtigen Ende austritt, wobei der Reaktionsdüsenauslaß insbesondere so angeordnet ist, daß er im allgemeinen zentral innerhalb der Projektion der mindestens einen linearen Grenze angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Verbrennungsdüse mehrere Verbrennungsdüsen umfaßt, wobei jede Verbrennungsdüse einen entsprechenden Auslaß aufweist, wobei insbesondere die mehreren Verbrennungsdüsenauslasse mit gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die mehreren Verbrennungsdüsenauslasse so angeordnet sind, daß sie eine im allgemeinen dreieckige lineare Grenze bilden, wobei die mehreren Verbrennungsdüsenauslasse insbesondere nahe benachbart zum stromaufwärtigen Ende angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das molare Elementverhältnis im Bereich von etwa 0,8:1 bis etwa 1,2:1 liegt, wobei das molare Elementverhältnis insbesondere im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1 liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das molare Elementverhältnis für das brennbare Gemisch mindestens etwa 0,7:1 beträgt, wobei das molare Elementverhältnis für das brennbare Gemisch insbesondere im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1 liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das molare Elementverhältnis nicht mehr als etwa 1 beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff einen Kohlenwasserstoff umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem cyclischen Kohlenwasserstoff, Ethylen, Propylen, Buten, Propadien, Acetylen, Propin, Butin und Gemischen davon besteht, wobei der Brennstoff insbesondere ein Gemisch aus Ethylen und Acetylen umfaßt.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Reaktant einen ersten Reaktanten, der eine erste Komponente umfaßt, und auch einen zweiten Reaktanten, der eine zweite Komponente, nämlich eine Stickstoffkomponente, umfaßt, wobei der erste und der zweite Reaktant unter Bildung einer Nitridverbindung reagieren, wobei die Nitridverbindung eine Verbindung aus der ersten Komponente und der zweiten Komponente, nämlich der Stickstoffkomponente, ist, umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silicium, Bor, Wolfram, Chrom, Titan, Zirkonium, Molybdän und Eisen besteht, wobei die erste Komponente insbesondere Silicium ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Reaktant Silan ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der zweite Reaktant aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Amin, einem Hydronitrid und Gemischen davon besteht, wobei es sich bei dem zweiten Reaktanten insbesondere um ein Hydronitrid handelt, wobei es sich bei dem Hydronitrid ganz besonders um Ammoniak handelt.

14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Massenverhältnis nicht mehr als etwa 0,3 beträgt, wobei das Massenverhältnis insbesondere mindestens etwa 0,1 beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Massenverhältnis weniger als etwa 0,1 beträgt.

16. Produktpulver, wie es nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14 hergestellt wird, das Siliciumnitrid und elementares Silicium umfaßt, deren Vorhandensein durch Röntgenbeugung bestimmt werden kann, und das durch die folgenden Gewichtsprozentsätze charakterisiert ist: Silicium in einer Menge von 55 bis 75 Gew.-%; Stickstoff in einer Menge von 10 bis 40 Gew.-%; Kohlenstoff in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-%; und Sauerstoff in einer Menge von 1 bis 15 Gew.-%.

17. Produktpulver nach Anspruch 16, wobei Silicium in einer Menge von 65 bis 75 Gew.-% vorhanden ist; Stickstoff in einer Menge von 15 bis 35 Gew.-% vorhanden ist; Kohlenstoff in einer Menge von 1 bis 6 Gew.-% vorhanden ist; und Sauerstoff in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-% vorhanden ist.

18. Produkt nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Produktpulver Teilchen mit Durchmessern im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,5 µm umfaßt.

19. Vorrichtung, umfassend: einen Reaktor mit einer darin ausgebildeten Kammer, die eine Längsachse und in Längsrichtung getrennte stromaufwärtige und stromabwärtige Enden aufweist, wobei die Kammer eine Verbrennungszone und eine Reaktionszone aufweist, so daß die Verbrennungszone sich in Längsrichtung vom stromaufwärtigen Ende zu einer Grenzfläche zwischen den Zonen erstreckt und daß die Reaktionszone sich in Längsrichtung von der Grenzfläche zum stromabwärtigen Ende erstreckt;

eine Einrichtung zum Einführen eines brennbaren Gemisches in die Verbrennungszone, die mindestens eine Verbrennungsdüse mit mindestens einem Auslaß umfaßt, der in Verbindung mit der Verbrennungszone steht und der vorgesehen ist, um das brennbare Gemisch in die Verbrennungszone in einer Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone freizusetzen; und

eine Einrichtung zum Einführen mindestens eines Reaktanten in die Reaktionszone, die mindestens eine Reaktantendüse mit mindestens einem Auslaß umfaßt, der in Verbindung mit der Kammer an der Grenzfläche steht und der vorgesehen ist, um den mindestens einen Reaktanten in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse freizusetzen, wobei der mindestens eine Reaktant zur Reaktion in der Kammer unter Bildung eines Nitridprodukts imstande ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der mindestens eine Verbrennungsdüsenauslaß mindestens eine lineare Grenze bildet, deren Projektion in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse und auf die Grenzfläche im allgemeinen den mindestens einen Reaktionsdüsenauslaß umgibt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse sich vom stromaufwärtigen Ende zu mindestens einem Reaktionsdüsenauslaß erstreckt, wobei insbesondere die mindestens eine Reaktionsdüse mindestens eine Längsachse im allgemeinen parallel zu der Längsachse der Kammer aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse eine einzelne Reaktionsdüse mit einem Auslaß umfaßt, deren Längsachse im allgemeinen der Längsachse der Kammer entspricht, so daß der Reaktionsdüsenauslaß im wesentlichen auf der Längsachse der Kammer angeordnet ist, so daß der mindestens eine Reaktant entlang der Längsachse der Kammer und hin zum stromabwärtigen Ende freigesetzt wird, wobei der Reaktionsdüsenauslaß insbesondere so angeordnet ist, daß er im allgemeinen zentral innerhalb der Projektion der mindestens einen linearen Grenze angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse sich im allgemeinen radial in die Kammer erstreckt, wobei insbesondere die mindestens eine Reaktionsdüse mindestens eine Längsachse im allgemeinen senkrecht zur Längsachse der Kammer aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse eine einzelne Reaktionsdüse mit einem Auslaß umfaßt, der im wesentlichen auf der Längsachse der Kammer angeordnet ist, so daß der mindestens eine Reaktant entlang der Längsachse der Kammer und hin zum stromabwärtigen Ende freigesetzt wird, wobei der Reaktionsdüsenauslaß insbesondere so angeordnet ist, daß er im allgemeinen zentral innerhalb der Projektion der mindestens einen linearen Grenze angeordnet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine Verbrennungsdüse mehrere Verbrennungsdüsen umfaßt, wobei jede Verbrennungsdüse einen entsprechenden Auslaß aufweist, wobei die mehreren Verbrennungsdüsenauslasse insbesondere mit gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die mehreren Verbrennungsdüsenauslasse so angeordnet sind, daß sie eine im allgemeinen dreieckige lineare Grenze bilden, wobei die mehreren Verbrennungsdüsenauslasse insbesondere nahe benachbart zum stromaufwärtigen Ende angeordnet sind.