一种高纯二硅化钽粉末制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高纯硅化钽粉末制备方法，包括如下步骤：将?500目硅粉和?300目钽粉以及添加剂NH4Cl按配比称重，球磨混合均匀，装入陶瓷坩埚并振实到一定密实程度，装入燃烧合成炉，抽真空通入氩气预热后点燃发生燃烧合成，冷却后球磨得到所需的二硅化钽粉末。与现有制造方法相比，本发明方法的合成团块松散，容易破碎，且全部为二硅化钽相的二硅化钽粉末。因此，本发明方法能够制备具有粒度可控性好，纯度高的单相二硅化钽粉末。
【专利说明】
一种高纯二硅化钽粉末制备方法
技术领域
[0001 ]本发明属于特种粉末制备技术领域，涉及一种以粉末为原料制备硅化钽粉末的方法。
【背景技术】
[0002]金属硅化物有着类似金属的导电性能、高温性能、抗氧化性能和与硅集成电路的生产工艺相容性.过渡金属硅化物可用于低电阻栅门和内连线、肖特基栅、电阻接触。二硅化钽具有高熔点、低电阻率、抗腐蚀、抗高温氧化性以及与硅、碳等基体材料具有良好的兼容性等优异性能，作为栅材料、集成电路的连结线路、高温抗氧化涂层等，在电热元件、高温结构部件、电子器件等方面得到了较广泛的研究与应用(崔春娟，张军，刘林，傅恒志，难熔金属硅化物TaSid^JW究进展，材料热处理技术，39 (2010) 72-74)。
[0003]二娃化钽制备方法包括:燃烧合成法(combust1n synthesis, CS)或自蔓延高温合成法(self-propagating high-temperature synthesis , SHS)、电弧恪炼法等。燃烧合成法或自蔓延高温合成法是一种利用元素/化合物反应放热来合成金属间化合物的方法。它具有设备简单、所需能耗低、合成时间短等优点，其主要缺点是反应速度快，过程控制难，容易存在杂相。(殷声，燃烧合成，北京:冶金工业出版社，1999)。二硅化钽的燃烧合成需要预热才能引发反应实现合成，但存在二硅化物以外的相。电弧熔炼法一般需要较长均匀化时间，同时在熔炼过程中由于挥发造成的硅损失可能导致一些杂相的生成。
[0004]等离子体喷涂技术因其射流温度高达10000°(:，射流速度达300-400111/8，集高温熔化、快速凝固和近净成形等优势于一体，并且该技术不受形状或尺寸限制，易于实现其短流程制备成形，逐渐发展成为一种新型的零部件成形技术，已经被用来制备一些零部件。利用等离子喷涂技术制备将二硅化钽粉制成块材(朱亚然，普慧，黄利生，一种制备二硅化钽块体材料的方法，ZL201410125984.6)，这需要高纯的二硅化钽粉末作为原料。因此，如何获得高纯度二硅化钽(没有杂相生成)粉末成为关键。
【发明内容】
[0005]为克服现有的制备二硅化钽粉末的不足，本发明提供一种新型的制备二硅化钽粉末的方法。
[0006]本发明的技术方案是提供一种高纯二硅化钽粉末的制备方法，其特征在于包括如下步骤:
1)将-500目硅粉和-300目钽粉按TaSi2的化学计量比称重；
2)加入占硅粉和钽粉重量0.5-1.5%的NH4Cl粉末；
3)将上述粉末球磨，球料比4:1-8:1，球磨时间8-12小时；
将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为35-40%;
4)将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟15-20°C升温至450-6500C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应； 5)冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。
[0007]与现有制造方法相比，本发明方法的合成团块松散，容易破碎，且全部为二硅化钽相的二硅化钽粉末。因此，本发明方法能够制备具有粒度可控性好，纯度高的单相二硅化钽粉末。
【附图说明】
[0008]图1是S1-Ta一■兀相图；
图2是本发明制备的TaSi2粉末的XRD图。
【具体实施方式】
[0009]在燃烧合成技术中，TaSi2的合成由钽粉与硅粉混合再加热到一定温度下，点火引发钽和硅粉末之间的放热反应完成的。由于该体系是弱放热体系，所以要预先加热，使放热反应能自我维持。由于Ta — Si体系还存在其它的化合物，如图1所示，包括Ta5Si3、Ta2S1、Ta3Si，因此在合成TaSi2时，如控制不当，很容易得到其它的硅化钽相。
[0010]在本发明方法中，本发明的TaSi2粉末制备方法包括如下步骤:
首先，将-500目硅粉和-300目钽粉按TaSi2的化学计量比称重。这里为了获得高纯度的产品，需要选用高纯度的硅粉和钽粉，比如纯度99.95或99.99%。选用-500目硅粉与-300目钽粉配合是为了更好地使硅与钽混合均匀，使钽颗粒被硅颗粒包围，有利于在后面燃烧合成的步骤中使硅和钽之间更容易接触反应。使用化学计量配比是为了得到TaSi2相。在都使用-200目或-300目硅粉和钽粉的情况下，难以获得完全的单相TaSi2相粉末，总会少量的Ta5Si3相。使用粒度更小的原料粉末能够使反应更加完全，但这增加粉末氧含量，反而会阻碍合成反应。
[0011 ] 第二，加入硅粉和钽粉重量0.5-1.5%的NH4C1粉末。研究发现NH4C1对硅和钽的反应起到催化作用，能够加速二者之间的反应并使反应进行彻底完全。在没有氯化铵时，同样反应不完全，会残留其它硅化钽相。
[0012]第三，将上述粉末球磨，球料比4:1-8:1，球磨时间8-12小时。在此球磨参数下，原料混合均匀，接触充分，反应更完全。
[0013]第四，将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为35-40%。使用碳化硅坩祸导热好，耐热，反应快速放热不会使坩祸损坏。振实到相对密度35-40%，一方面颗粒接触充分，另一方面保持相对松散，反应之后容易破碎，易于控制产品粒度大小。
[0014]第五，将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟15_20°C升温至450-650°C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应。抽真空充入氩气，防止氧化。快速升温速度是为了防止中间过程生成其它硅化钽。高的预热温度能够确保点燃反应燃烧合成全部生成TaSi2相。
[0015]第六，冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。用氧化锆球磨能够减小杂质引入，特别是防止铁的引入。在以上措施的综合作用下，本发明方法能够控制硅粉和钽粉反应，如图2所示，经XRD检测全部生成TaSi2相。
[0016]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。
[0017]实施例1
将-500目硅粉23.6克和-300目钽粉76.4克称重；
加入占硅粉和钽粉重量0.5克的NH4Cl粉末；
将上述粉末球磨，球料比8:1，球磨时间12小时；
将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为40%;
将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟20°C升温至650°C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应；
冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。
[0018]实施例2
将-500目硅粉23.6克和-300目钽粉76.4克称重；
加入占硅粉和钽粉重量1.5克的NH4Cl粉末；
将上述粉末球磨，球料比4:1，球磨时间8小时；
将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为35%;
将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟15°C升温至450°C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应；
冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。
[0019]实施例3
将-500目硅粉23.6克和-300目钽粉76.4克称重；
加入占硅粉和钽粉重量1.0克的NH4Cl粉末；
将上述粉末球磨，球料比6:1，球磨时间10小时；
将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为38%;
将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟18°C升温至550°C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应；
冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。
[0020]实施例4
将-500目硅粉23.6克和-300目钽粉76.4克称重；
加入占硅粉和钽粉重量0.8克的NH4Cl粉末；
将上述粉末球磨，球料比7:1，球磨时间11小时；
将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为39%;
将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟19°C升温至600°C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应；
冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。
[0021]实施例5
将-500目硅粉23.6克和-300目钽粉76.4克称重；
加入占硅粉和钽粉重量1.2克的NH4Cl粉末；
将上述粉末球磨，球料比5:1，球磨时间9小时；
将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实到相对密度为36%;
将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟16°C升温至500°C，用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应；冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。
[0022]因此，本发明方法通过整合原料粒度、添加剂、球磨、装填以及升温合成等诸多环节，使反应过程易于控制，能够获得单纯的TaSi2相的粉末材料，并且通过控制原料纯度以及避免过程引入杂质，从而最终获得1?纯度的单相TaSi2粉末D
【主权项】
1.一种高纯二硅化钽粉末制备方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将-500目硅粉和-300目钽粉按TaSi2的化学计量比称重； 2)加入NH4Cl粉末; 3)将上述粉末球磨，球料比4:1-8:1，球磨时间8-12小时； 4)将球磨后的粉末装入碳化硅坩祸中，放在振动台上振实； 5)将装粉末的坩祸装入合成炉中，抽真空后充入氩气，升温、用钨丝通电引燃二硅化钽合成反应； 6)冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为二硅化钽相。2.如权利要求1所述一种高纯二硅化钽粉末制备方法，其特征在于步骤2)步骤2)所述NH4Cl粉末占硅粉和钽粉重量0.5-1.5%。3.如权利要求1所述一种高纯二硅化钽粉末制备方法，其特征在于步骤4)所述振实相对密度为35-40%。4.如权利要求1所述一种高纯二硅化钽粉末制备方法，其特征在于步骤5)所述升温速率是每分钟15-20 °C，升温温度450-650 °C。
【文档编号】C01B33/06GK106044778SQ201610534377
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】郑贵林, 武桂燕, 林涛
【申请人】福斯曼科技（北京）有限公司