[发明专利]一种多级流化床制备高质量氮化硅粉体的系统及方法

说明书

本发明公开了一种多级流化床制备高质量氮化硅粉体的系统及方法。气相硅源在流化床中与氨气反应后，依次经过脱氯、深度脱氯、分解、晶化等步骤可制备杂质含量低、α相含量高、粒径细且分布窄的高质量氮化硅粉体。本发明解决了传统硅胺前驱体转化法中气相合成路线难以获得低氯含量氮化硅粉体的难题，同时与传统溶剂热液相合成法和硅胺前驱体液相合成法相比，本发明可解决前驱体吸湿防护难的问题，同时能够实现连续批量化制备高质量氮化硅粉体，生产效率更高，大幅度降低了高质量氮化硅粉体的成本，扩展粉体的应用范围。

技术领域

本发明属于化工、材料领域，涉及粉体的制备方法，特别是一种高质量氮化硅(Si₃N₄)粉体的制备工艺。

背景技术

Si₃N₄陶瓷被誉为“全能陶瓷”，在机械加工、航空航天、电子信息、生物材料等领域具有广泛的应用。高质量Si₃N₄粉体是制备高性能Si₃N₄陶瓷的基础，且粉体占据了陶瓷成本的1/3～2/3。高质量粉体需要粒径约0.4～1.5μm，α相含量95％，O含量0.9wt.％，C含量0.2wt.％，Cl含量100ppm，金属杂质500ppm。经过几十年的不断研发，目前制备Si₃N₄粉体主要有以下几大类方法：

(1)SiO₂的碳热氮化法(3SiO₂(s)+2N₂(g)+6C(s)＝Si₃N₄(s)+6CO(g))。该反应为典型的固相氮化反应，扩散传质是整个反应的限制步骤。这就导致粉体氧含量非常高，一般大于5.0wt.％，且产物物相不纯，通常含有SiC，SiO_yN_z，以及残留的SiO₂和游离C。尽管，反复破碎并反复氮化可以在一定程度降低粉体的O杂质，但是粉体中仍然含有SiC和C等杂相(J.Am.Ceram.Soc.,1996,82,1635)。此外，由于Si₃N₄硬度大，破碎过程中会引入杂质，而且也难以将粉体的粒径降低到1.0μm以下。

(2)Si粉直接氮化法(3Si(s)+2N₂(g)＝Si₃N₄(s))。该反应为强放热反应，工业上常采用自蔓延燃烧技术合成Si₃N₄粉体。然而，由于该反应仍然存在传质屏障，且温度梯度大，获得含游离Si的Si₃N₄块体，且产物中α含量通常小于70％。尽管提升应容器中N₂的压力(约10MPa)或高能球磨能够强化传质，减少游离Si的含量，但是无法避免游离Si。此外，大量研究采用添加“稀释剂”来调控合成温度，但是α相含量也难以大于95％不满足高质量粉体要求。