[发明专利]一种生产规则形貌α相氮化硅粉体的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种生产氮化硅粉体的方法，尤其涉及一种采用自蔓燃生产太阳能用高纯规则形貌α相氮化硅粉体的方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术：

在传统能源濒临枯竭，油、煤和天然气价格节节攀升的紧迫形势下，新能源之一的太阳能电池板倍受世界各国重视，作为太阳能电池板最主要的原材料多晶硅需求量也在急剧增长。在多晶硅铸锭过程中，为了防止熔融硅与石英陶瓷坩埚反应并容易脱模分离，需要在石英陶瓷坩埚内表面进行涂层。石英陶瓷坩埚涂层要求高纯氮化硅粉体，杂质铁含量小于10ppm，氮化硅粉体的形貌规则，不与熔融硅与石英陶瓷坩埚两者反应，并有适中的结合强度。

氮化硅粉体具有很高的化学稳定性，不与熔融硅与石英陶瓷坩埚发生反应，高纯度的氮化硅粉体也比较容易制备。因此氮化硅粉体已成为石英陶瓷坩埚的首选涂层材料，已在多晶硅铸锭生产中成功应用。氮化硅是典型的共价键化合物，有两种晶型，分别是α相氮化硅和β相氮化硅，α相氮化硅是颗粒状结晶体，属于低温稳定型；β相氮化硅是针状结晶体，属于高温稳定型。α相氮化硅和β相氮化硅均为六方晶系，α相氮化硅的相结构的内部应变比β相氮化硅大，故α相氮化硅自由能比β相氮化硅相高，在1400～1600℃加热，α相氮化硅会转变成β相氮化硅，在氮化硅粉体的烧结过程中一般会发生，α相氮化硅到β相氮化硅的转变，该相变通过溶解析出机制进行，同时伴随着密度致密化，α氮化硅粉体的烧结性能要远远优于β氮化硅粉体。因此在太阳能用石英陶瓷坩埚中，用α相氮化硅粉体作为石英陶瓷坩埚的涂层粉体材料。

制备α相氮化硅粉体的传统方法可以分为如下几种，第一种是工业上广泛采用的金属硅粉Si直接氮化法，第二种是二氧化硅SiO₂碳热还原法，第三种是化学气相合成法，第四种是相对较先进的等离子气相合成法，第五种是自蔓燃高温合成法。制备的α相氮化硅粉体可广泛的应用于太阳能铸锭石英坩埚涂层领域。

金属硅粉直接氮化法是：在氮气或氨气的氛围内，在电炉中加热金属硅粉使之发生氮化反应，该方法简单，是合成α氮化硅粉体的最有效的、并且是相对简单方法，是工业中普遍应用的方法。但是该方法有其明显的缺点，硅粉在高温反应中可能融化，致使反应气氛扩散困难，其次随着反应的进行，包覆硅粉的氮化硅层会阻止内部硅粉的进一步氮化，另外，整个反应过程需要两次氮化，这个反应周期需要数天，该过程中自始至终须严格控制反应温度、氮气分压和气体流量来保证生成α相氮化硅需要的热环境，导致了该方法需要较大的能源消耗，合成的粉体粒度分布不均匀，杂质含量较高，无法满足作为石英坩埚涂层高性能α相氮化硅的原料要求。

二氧化硅碳热还原法是将二氧化硅粉末与碳粉充分混合，在流动的氮气气氛下利用碳还原二氧化硅SiO₂，被还原出的硅Si和氧化硅SiO与氮气进一步反应生成氮化硅Si₃N₄，该法具有设备简单、原料价格低，生成的氮化硅粉末具有高α相，残留的碳C可以经600℃煅烧除去，氮化硅粉末无需球磨等特点。但是该方法需要加入过量的碳以确保二氧化硅SiO₂的完全反应，中间过程所产生的氧化硅SiO容易造成原料的损失，同时在SiO₂-C-N₂反应体系在低温时反应速度慢；而在高温时，可能导致生成碳化硅，直接影响到氮化硅的产率和纯度。

化学气相合成法是含硅的化合物，如SiH₄、SiCl₄和氮气(氨气)的原料在反应器中发生界面反应生成Si(NH₂)₂，然后水洗除去NH₄Cl后对该产物加热到1200℃生成无定形相氮化硅，再加热到1500℃以上生成α氮化硅粉体，该法制备的氮化硅粉体具有高α相纯度、烧结活性好的特点，日本的UBE(宇部多光公司)公司采用该法合成的氮化硅粉体一直占据高端氮化硅粉体市场，但该粉体具有原料昂贵、设备复杂、能耗较大的缺点。