[发明专利]氮化硅及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮化硅及其制备方法。上述氮化硅的制备方法包括以下步骤：采用氮气对硅颗粒进行气雾化处理，得到气雾化后的硅粉；连续将等离子体状态下的氮气和气雾化后的硅粉送入反应器，并保持反应器温度为1300℃～1450℃，之后进行固气分离并保留固体；以及向固体中添加α相氮化硅、氟化铵和碘化铵，混匀之后抽真空，之后通入氮气和氢气的混合气体直至压力升至表压0.005MPa～0.05MPa，之后升温至1200℃～1250℃，并持续通入氮气和氢气的混合气体直至压力升至表压0.01MPa～0.1MPa，维持反应时间为5小时～10小时，反应完全之后冷却，得到氮化硅。本发明的氮化硅的制备方法为复合合成法，采用本发明的上述氮化硅的制备方法能够得到高α相氮化硅。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料领域，特别是涉及一种氮化硅及其制备方法。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有高硬度、强度高、耐磨损、耐高温、热膨胀系数小、导热系数大、抗热震性好以及密度低等一系列优点，在陶瓷发动机、机械加工、微电子学、空间科学和核动力工程等领域，具有极为广阔的应用前景。相关产品如氮化硅陶瓷刀具工具、氮化硅陶瓷轴承、汽车发动机气门、汽车增压涡轮、加热器、各种耐磨、耐高温、耐腐蚀零件等己经在航空、电子、化工、汽车等领域广泛应用。随着氮化硅陶瓷增韧技术和制备工艺的不断发展，氮化硅陶瓷的应用将不断扩展，因而对高性能氮化硅粉的需求量也将日益增加。

氮化硅是典型的共价键化合物，有两种晶型，β相是针状结晶体，属于高温稳定型，α相颗粒状结晶体，属于低温稳定型，两者均为六方晶系，α相结构的内部应变比β相大，故自由能比β相高，在1400℃～1600℃加热，α-Si₃N₄会转变成β-Si₃N₄，在氮化硅粉体的烧结过程中一般会发生α-β相的转变，该相变通过溶解析出机制进行，同时伴随着密度致密化。氧是氮化硅粉料中存在最多的杂质元素，一部分溶解于氮化硅粉料的颗粒内部，一部分在氮化硅粉料表面以富氧层的形式存在。通常把氮化硅粉料表面的富氧层看作是SiO₂薄膜。在烧结过程中，氮化硅颗粒表面的富氧层与烧结助剂反应形成液相，促进相变和致密化。除了另外添加的氧化物烧结助剂外，氮化硅粉料表面的富氧层也作为烧结助剂参与烧结过程中液相的形成，并影响氮化硅陶瓷中晶界相的组成和数量，从而影响其高温力学性能。采用低氧含量的α相氮化硅粉体烧结陶瓷正逐步成为国内外科研院所和企业竞相开展的课题研究，氮化硅粉料的表面富氧层对氮化硅陶瓷晶界相和高温力学性能的影响也非常重要。

现有技术中常用的氮化硅制备方法有以下几种:一、硅粉直接氮化法；二、碳热还原二氧化硅法；三、化学气相两步法；四、自蔓燃高温合成法。

一、硅粉直接氮化法

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，如：US8697023中德国爱尔兹特罗斯特贝格公司报导了，在旋转加热炉中，以硅粉，氮气，氩气，氢气为原料，加热至1350℃左右，旋转加热炉转速为1.2rpm，炉内压1.01巴，进行反应制备氮化硅。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，同时硅粉氮化合成时所产生的温度高达4300K。此温度远远高出氮化硅的分解温度，合成反应必须在高氮压下进行，以防止氮化硅在合成后又分解。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。

二、碳热还原二氧化硅法