JPS60122706A - 窒化ケイ素粉末の製造方法 - Google Patents

窒化ケイ素粉末の製造方法

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JPS60122706A
JPS60122706A JP22677783A JP22677783A JPS60122706A JP S60122706 A JPS60122706 A JP S60122706A JP 22677783 A JP22677783 A JP 22677783A JP 22677783 A JP22677783 A JP 22677783A JP S60122706 A JPS60122706 A JP S60122706A
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JP
Japan
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powder
silicon nitride
silica
nitride powder
flow rate
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JP22677783A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Inoue
寛 井上
Katsutoshi Yoneya
勝利 米屋
Akihiko Tsuge
柘植 章彦
Hiroyasu Ota
博康 大田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/068Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon
    • C01B21/0685Preparation by carboreductive nitridation

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 更に詳しくは、窒化ケイ素含有率、特に、4厘窒化ケイ
素の含有率が高く、且つ、粒径及び粒形が揃った均質な
窒化ケイ素粉末を高収率で得ることができる窒化ケイ素
粉末の製造方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
窒化ケイ素セラミックスは窒化ケイ素粉末を焼結するこ
とによって得られる新しい材料である。
窒化ケイ素は結合強度の大きな共有結合性化合物でアシ
、そのセラミックス材料は高温強度が優れているため、
高強度・高弾性率の耐熱性構造材料或いは高温耐摩耗材
料としての応用が期待されている。
ところで、このセラミックス材料・は、窒化ケイ素の共
有結合強度から推定すると、極めて高い理論強度を有す
るものであるが、現実に得られている通常の窒化ケイ素
セラミックスの強度はその数十分の−にすぎない。その
原因は、主として、現、・j・・j9イ、ケイカヤ、オ
ッ2.。4゜。ワ、ツウ。。
、1:J で、特に、重要な段階である。なぜなら、この段階で得
られる窒化ケイ素粉末が不純物を多く含んでいだシ、粒
径・粒形が不均一であると、その後の製造段階でセラミ
ックス中に欠陥が発生することを防ぐことが困難となる
からである。
このため、組織上の欠陥が少なく、緻密な焼結体セラミ
ックスを得るには、純度が高く、粒径・粒形が均一であ
シ、シかも、焼結性の優れたα型結晶の窒化ケイ素含有
量が高い微細な窒化ケイ素粉末の調製法が要求されてい
る。
今日まで、検討されてきた窒化ケイ素粉末の調製法には
次のような方法がある。即ち、(1) 直接反応法 (金属ケイ素粉末を直接窒化させる方法)3Si+2N
2→S i 、N4 気相反応法 (例えば、四塩化ケイ素やシランとアンモニアを気相で
反応させる方法) (シリカを反応量論比程度の炭素で還元して得上記方法
の中で、(1)の直接反応法においては、発熱反応であ
るために、発熱制御のための装置上の工夫を要し、得ら
れる窒化ケイ素粉末は粒径が粗大で微細なものが得難い
という問題点を有している。また(2)の気相反応法に
おいては、得られる窒化ケイ素の純度が高く、例えば、
半導体素子表面の被覆等には適するが、四塩化ケイ素等
のハロダン族元素を含有する化合物を使用する場合には
、生成するハロゲン化水素等の除去処理をしなければな
らず工程が煩雑になる。又、生成する窒化ケイ素粉末の
粒径や粒形が不揃いであシ、且つその制御が困難である
等の問題点を有している。
一方、(3)のシリカ還元法は、反応操作が簡便である
という利点を有する。また、本発明者らは、特開昭51
−28598号公報において、上記シリカ還元法を改良
する方法を提案し、更に、特公昭゛[!Lの少ない、高
密度・高強度焼結体セラミックのる。
しかしながら、シリカ還元法は、これを焼結体セラミッ
クスの原料製造方法として実用化するには、窒化ケイ素
の収率、窒化ケイ素の純度、と)わけ、焼結性の優れた
α型窒化ケイ素の含有率が低いため、十分でないという
問題があった。
窒化ケイ素の収率、得られる窒化ケイ素の純度もしくは
α型窒化ケイ素含有率等を高めるシリカ還元法の諸条件
としては、温度、反応時間、シリカ・炭素・窒素等の原
料の質・量などが挙げられる。しかしながら、これらの
基本的諸条件のみの改善では、前記収率、純度及び含有
率の向上に限界がある。゛このため、これら収率、純度
及び含有率を同時に高める新たな条件を見い出し、以っ
て、シリカ還元法を改善することが望まれていた。
〔発明の目的〕
:声1′?することにある。
、)!1...:本発明者らは、上記目的を達成すべく
鋭意研究を重ねた結果、シリカ還元法において、用いる
窒素ガスの流速を所定の速度にすることによシ、得られ
る窒化ケイ素粉末の品質と収率が著しく改善されること
を見い出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の窒、化ケイ素粉末の製造方法は、シリカ
粉末1重量部、炭素粉末0.4〜4 重量部及び窒化ケ
イ素粉末0.005〜1重量部から成る混合粉末を、該
混合粉末上の流速が1.0〜2. Ocnp/secで
ある窒素又は気体状窒素化合物を含む非酸化性気流中、
1350〜1550t::で焼成することを特徴とする
本発明において、シリカ粉末は窒化ケイ素の構成元素で
あるケイ素の供給源となる。
用いるシリカ粉末は、例えば、純石英、珪石、珪砂、コ
ロイダルシリカ等の高シリカ含有物質の粉末及び高温(
但し、1550℃未満の温度)でシある。
用いる炭素粉末としては、例えば、カー?ンプラック、
グラファイト、ランプブラックカーデン等及び高温(但
し、1550℃未満の温度)で炭素に転化する有機化合
物、例えばフェノール樹脂等の炭素前駆体物質の粉末等
が挙げられる。
この炭素粉末の粒径は0.2μm以下であることが好ま
しい。粒径が0.2μmを超えると、炭素粉末の反応性
が低下するからである。
シリカ還元法における第3成分として使用される窒化ケ
イ素粉末は、この方法で得られる窒化ケイ素粉末の結晶
核生成反応を促進する種子として必要な成分である。
用いる窒化ケイ素粉末としては、その一部が酸素やアル
ミニウム等を固溶した粒子から成る粉末であってもよい
が、該粉末の少なくとも500重量部、・′ 力気:減少するからである。この種子となる窒化ケイ□ 素、:、劣末としては、例えば、シリカ還元法で得られ
て、炭素粉末は0.4〜4重量部、窒化ケイ素粉末はo
、oos〜1重量部とする。
シリカ−炭素−窒化ケイ素の組成比(重量部)を、81
02: C: E13N4=1 : 0.4〜4:0.
005〜1に限定する理由は、次のとおシである。即ち
、81021重量部当、6cが0.4重量部未満である
と、s to2が未反応物として一部残留し、且つ、5
i2ON2−が多量生成する反面、α型S i 、N4
の生成量が少なく、又、4重量部を超えると、α型S 
i 3N4の収4が低下する。一方、5to2i重量部
に対し、Sl、N4が0.005重量部未満であると7
リ力還元によシ得られる好ましい特性を有するα型の8
1 、N4が得られず、逆に1重量部を超えると、原料
として添加したSi、N4粉末量が多いために収量が低
下して好ましくない。
窒化ケイ素の収率が低下するからである。
窒素又は窒素化合物を含む非酸化性気流の流速は前記原
料混合粉上1.θ〜2. Otyn/ seeとする。
流速が1.0 cm/ sec未満では、窒素供給量が
過少のため窒化反応が不十分となシ、その結果、得られ
る窒化ケイ素は酸素含有量の大きく、純度の低いものと
なってしまう。一方、流速が2.0cm/secを超え
ると、窒化ケイ素収率及びα型窒化ケイ素の3有量が低
下する。
焼成温度は、1350〜1550℃とする。温度が、1
350℃未満であると、8th5N4が生成し難く、一
方、1550℃を超えると、StCの生成量が増大し、
所望とするα型5t3N4粉末が得られない。
尚、炭素を過剰に使用した場合には、炭素が残留するの
で、酸化性雰囲気中、60°0〜800℃で加熱処理し
て、残留炭素を酸化除去することが好−次反応として StOとN又はNH,は気相状態で容易に反応してα型
513N4を生成する。ここで合成される813N4粉
末の品質と収率は気相状態のStOの分圧に大きく影響
される。つまシ、混合粉上で一次反応によシ生成した気
相StO分圧は雰囲気ガスの流速が速い場合、さらに反
応して513N4に変換するものの、生成した場所から
移動し他の場所に沈着してしまう。極端な場合反応の系
外、例えば、反応炉の外に散逸する。一方、ガス流速が
遅い場合、生成した気相810の散逸は防止できるが、
次の窒化反応に必要な窒素の供給が不十分となシ、未反
応と′なシやすい。合成される粉末のα−8i 、N4
含有率は、SiOの分圧と密接に関係し、810分圧が
高い程α化率は上昇する。このことを実現するためには
、上記の如く、雰囲気ガスの流速を極端に遅くすること
によシ達成されるが、反応速度、合成粉の純度等から限
界がある。
平均粒径0.05μtnのシリカ粉末1重量部、ランプ
グラツクカー2フ0.5重量部及び粒径0.7μmのα
型S i 3N4を65重量%含有する窒化ケイ素粉末
0.1重量部から成る混合粉末を20gずつ、あらかじ
め用意された5つのカーボン製ホードに入れ、各々の混
合粉末上に、それぞれ窒素ガスを流速0.25 = 0
.5 e 1.0 # 2.0及び3.0cIn/se
eで流しつつ、これら混合粉末を1450℃で5時間焼
成した。次に、得られた焼成物を大気中、700℃で5
時間加熱して未反応炭化物を除去することによって、窒
化ケイ素粉末を得た。
これら粉末について、収率、α型窒化ケイ素の含有率及
び窒化ケイ素の純度(酸素及び炭素の含有率)を測定し
た。収率は出発原料重量に対する生成粉重量の比として
めた。α−8i 3N4含有量はよって測定した。これ
らの測定結果を、次表、第τ%丁:r:Im及び第2図
に示す。
第1図はシリカ還元法によって得られる窒化ケイ素粉末
の収率及びα−813N4含有量と窒素ガス流速との関
係を示し、第2図は得られる窒化ケイ素粉末中の酸素及
び炭素含有量と窒素ガス流速との関係を示す。これらの
図において、曲線a、b。
C及びdはそれぞれ、収率、α−8i 、N4含有量、
酸素含有量及び炭素含有量を表わす。また、図中、斜線
部分の領域は本発明に係る窒素ガス流速の範囲を表わす
領域を示す。
図から明らかな通シ、流速が小さいと合成粉中の酸素が
増加して純度が低下するが、収率、α−8l、N4含有
率が増加する。これらの実験結果から、雰囲気ガスの流
速は1.0〜2.0 cm/ secが適切と判断され
る。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかな通シ、本発明の窒化ケイ素粉末
の製造方法は、窒化ケイ素を種子とじて11秀、Pen
Z Seeであるので、高純度かつα型窒化ケイ素含有
量の高い窒化ケイ素粉末を高収率で得ると極、めで大で
ある。
・:)
【図面の簡単な説明】
14、:、:1 第1図はシリカ還元法で得られる窒化ケイ素粉末の収率
及びα−8i 3N4含有量と窒素ガス流速との関係を
示す本発明の説明図である。第2図はシリカ還元法で得
られる窒化ケイ素粉末中の酸素及び炭素含有量と窒素ガ
ス流速との関係を示す本発明の説明図である。 これらの図において、曲線&ebHC1dはそれぞれ、
収率、α−8t3N4含有量、酸素含有量及び炭素含有
量を表わす。 特許出願人 工業技術院長 用田裕部 第1図 望系≠1人看出色 (cm/5ec) 第2回 0 1 2 3 室兜り入度調L(cm/sec)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、7リ力粉末1重量部、炭素粉末0.4〜4重量部及
    ′び7窒化ケイ素粉末0.005〜1重量部から成る混
    合粉末を、該混合粉末上の流速が1.0〜2、0 cm
    / secである、窒素又は気体状窒素化合物を含む非
    酸化性気流中、1350〜1550℃で焼成す範囲第1
    項記載の窒化ケイ素粉末の製造方法。
JP22677783A 1983-12-02 1983-12-02 窒化ケイ素粉末の製造方法 Pending JPS60122706A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62256798A (ja) * 1986-04-30 1987-11-09 Toshiba Ceramics Co Ltd 繊維状窒化珪素の製造方法
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DE102008062177A1 (de) 2008-12-13 2010-07-08 Alzchem Trostberg Gmbh Verfahren zur Herstellung von hochreinem Siliciumnitrid

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