雾化反应法制备氮化硅粉末的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氮化硅粉末的生产工艺，具体涉及一种雾化反应法制备氮化硅粉末的方法。
【背景技术】
[0002]氮化硅本身硬度较高，具有润滑性，并且耐磨损，，高温时抗氧化，是一种重要的结构陶瓷材料，而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000°c以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。氮化硅用途广泛，在机械工业，常常利用它作为作轴承、工模具、新型陶瓷刀具、栗柱塞、密封材料等；在化学工业，用作耐磨、耐蚀部件，如球阀、栗体、燃烧汽化器、过滤器等；在治金工业，可制作金属材料加工的工模具，如拨菅芯棒、挤压、拨丝模具、发热体夹具等。同时，氮化硅在电子、军事和核工业方面也有广泛应用。正是因为氮化硅有如此良好的性质和用途，氮化硅被越来越广泛的关注，如何制备出低成本、高质量的氮化硅粉体原料成为关键。
[0003]目前，制备氮化硅粉体的方法主要有四种:硅粉直接氮化法、硅亚胺分解法、二氧化硅还原氮化法和气相法。硅粉直接氮化法是最早被采用的合成氮化硅粉末的方法，此方法成本比较低，可以大规模生产。具体操作是将纯度较高的硅粉磨细后，置于反应炉内通氮气或氨气，加热到1200?1350°C进行氮化反应就可得到氮化硅粉末，该法生产的氮化硅粉末通常为α、β两相混合的粉末。由于氮化时发生粘结使粉体结块，故产物必须经粉碎、研磨后才能成细粉。为此，产品粒度大、纯度低、粒形和粒度分布均较差。多用于耐火材料的添加剂、要求较低的结构件，难以生产高品质氮化硅粉。硅亚胺分解法则是四氯化硅在有机溶剂中与过量液氨发生界面反应生成固态亚胺基硅(Si (NH) 2)或胺基硅(Si(NH2)4)，亚胺基硅或胺基硅在1400?1600°C下热分解，可以直接制较纯的a -Si3N4粉末。但是该方法大量使用有机溶剂，导致工艺复杂，生产成本高。二氧化硅还原氮化法一般采用炭黑作为还原剂，由于炭黑的使用引入了杂质，不易反应完全，同时反应过程中易产生碳化硅，亦会导致产物不纯。气相反应法是采用硅的卤化物和氨气在1000~1300°C下进行反应，产物氮化硅在冷却端沉积下来。由于这种粉末表面积很大，很容易吸附氧，因此给工艺过程和保存带来很大困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种低成本、高纯度的利用雾化反应法制备氮化硅粉末的方法。
[0005]—种雾化反应法制备氮化硅粉末的方法主要是利用压力式雾化器将硅的卤化物雾化，然后利用雾化的硅的卤化物与液氨在界面处反应，得到固态亚胺基硅，然后将固态亚胺基硅进行高温分解生成氮化硅产物。包括以下步骤:
(1)控制反应塔内的温度为:-33.5°C?-50.50C ；
(2)向反应塔内加入液氨，供给量为0.25?0.45L/min ; (3)采用压力式雾化器向塔体内加入硅的卤化物，供给量为0.25?0.5L/min，喷雾使用的气体压力3MPa?9MPa，反应产生不溶于液氨的亚胺基硅沉淀于液氨底部，生成的铵的卤化物溶于液氨中；
(4)反应完毕后，将亚胺基硅和液氨从塔内排出，过滤得到亚胺基硅固体；
(5)将得到亚胺基硅固体放入低温煅烧炉，在400°C?600°C左右进行煅烧0.8?1.5h，并保温6?10h，持续通入氨气，通气速率为8?12L/min，除去亚胺基硅中的铵的卤化物；
(6)将提纯后的前驱体亚胺基硅放入管式炉中，2.5?3.5h由室温升至1000~1200°C，并保温2.5?3.5h，使前驱体分解产生无定形氮化硅，期间不断通入氨气，通气速率为3L/min ；
(7)将氨气换成氮气，通气速率为2?4L/min，升温至1250~1800°C煅烧由1000°C升至1550 0C，升温时间为2?3.5h，并保温4?6h，得到晶态氮化硅。
[0006]所述硅的卤化物为纯度大于99%的四氯化硅或四溴化硅，在常温常压下为液态。
[0007]所述液氨为高纯度液氨。
[0008]所述压力式雾化器喷雾使用的气体为氮气或氩气等不与硅的卤化物和氨气反应的惰性气体。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有以下优点:该方法制备的氮化硅粉体球形度高，生产低成本，氮化硅纯度高，并且制备的氮化硅粉末α相含量高，粒度分布窄，无结块现象。
[0010]
【具体实施方式】
[0011]下面结合实施例对本发明作进一步进行说明。
[0012]实施例1
控制反应塔内温度为-40°C，加入液氨125L，由压力式雾化器向塔体内喷入四氯化硅，供给量为0.3L/min，供给总量为3L，喷雾使用的气体为高纯氮气，气体压力为3.5MPa。
[0013]反应后，排出亚胺基硅固体及溶有氯化铵的液氨，过滤后得到亚胺基硅固体。将收集到的粉末产物放入到低温煅烧炉中，用Ih由室温升至500°C，保温8h，期间持续通入氨气，通气速率为10L/min，由此除去混合粉末中的氯化铵，最终得到产物1.45kg。
[0014]将提纯后的前驱体亚胺基硅放入管式炉中，3h由室温升至1000°C，并在1000°C保温3h，使前驱体分解产生无定形氮化硅，期间不断通入氨气，通气速率为3L/min。将氨气换成氮气，通气速率为3L/min，由1000°C升至1550°C，升温时间为2.5h，在1550°C保温5h，最终得到1.1kg晶态氮化硅。
[0015]实施例2
控制塔内温度为_37°C，加入液氨125L，由压力式雾化器向塔体内喷入四氯化硅，供给量为0.2L/min，供给总量为3L，喷雾使用的气体为高纯氮气，气体压力为3.5MPa。
[0016]反应后，排出亚胺基硅固体及溶有氯化铵的液氨，过滤后得到亚胺基硅固体。将收集到的粉末产物放入到低温煅烧炉中，用Ih由室温升至500°C，保温8h，期间持续通入氨气，通气速率为10L/min，由此除去混合粉末中的氯化铵，最终得到产物1.4kg。
[0017]将提纯后的前驱体放入管式炉中，3h由室温升至1000°C，并在1000°C保温3h，使前驱体分解产生无定形氮化硅，期间不断通入氨气，通气速率为3L/min。将继续通氨气，由 1000°C升至1550°C，升温时间为2.5h，在1550°C保温5h，最终得到Ikg晶态氮化硅。
【主权项】
1.雾化反应法制备氮化硅粉末的方法，利用硅的卤化物在立式反应塔中制备，其特征在于:它包括以下步骤: (1)控制反应塔内的温度为:-33.5°C?-50.50C ； (2)向反应塔内加入液氨，供给量为0.25?0.45L/min ; (3)采用压力式雾化器向塔体内加入硅的卤化物，供给量为0.25?0.5L/min，喷雾使用的气体压力3MPa?9MPa，反应产生不溶于液氨的亚胺基硅沉淀于液氨底部，生成的铵的卤化物溶于液氨中； (4)反应完毕后，将亚胺基硅和液氨从塔内排出，过滤得到亚胺基硅固体； (5)将得到亚胺基硅固体放入低温煅烧炉，在400°C?600°C左右进行煅烧0.8?1.5h，并保温6?10h，持续通入氨气，通气速率为8?12L/min，除去亚胺基硅中的铵的卤化物； (6)将提纯后的前驱体亚胺基硅放入管式炉中，2.5?3.5h由室温升至1000~1200°C，并保温2.5?3.5h，使前驱体分解产生无定形氮化硅，期间不断通入氨气，通气速率为3L/min ； (7)将氨气换成氮气，通气速率为2?4L/min，升温至1250~1800°C煅烧由1000°C升至1550 0C，升温时间为2?3.5h，并保温4?6h，得到晶态氮化硅。2.根据权利要求1所述的雾化反应法制备氮化硅粉末的方法，其特征在于:所述硅的卤化物为纯度大于99%的四氯化硅或四溴化硅，在常温常压下为液态。3.根据权利要求1所述的雾化反应法制备氮化硅粉末的方法，其特征在于:所述液氨为高纯度液氨。4.根据权利要求1所述的雾化反应法制备氮化硅粉末的方法，其特征在于:所述压力式雾化器喷雾使用的气体为氮气或氩气等不与硅的卤化物和氨气反应的惰性气体。
【专利摘要】本发明公开了一种雾化反应法制备氮化硅粉末的方法，包括以下步骤：将四氯化硅通过压力式喷雾方式进行雾化，进行雾化的气体采用惰性气体；雾化后的四氯化硅与液氨在界面处进行反应，反应过程中塔体内温度控制在-33.5℃以下，反应过程中控制四氯化硅的供给量；将收集到粉末产物在400~600℃进行保温，除去其中的氯化铵；将提纯后的亚胺基硅在950~1100℃保温使其分解产生非定型氮化硅，然后在1400~1600℃进行保温将无定形氮化硅进行结晶化处理。此方法能够制备出高品质的氮化硅。
【IPC分类】C04B35/584, C01B21/068, C04B35/626
【公开号】CN105129750
【申请号】CN201510508951
【发明人】宋锡滨, 张兵, 张曦, 潘光军
【申请人】山东国瓷功能材料股份有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月19日