高α-Si₃N₄相氮化硅制备方法

专利名称：高α-Si₃N₄相氮化硅制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高a -Si美相氮化硅制备方法，属于特种陶瓷技术领域。
技术背景氮化硅以其良好的力学性能、高的化学稳定性、较低的密度以及良好的高温性能、抗热 冲击和抗蠕变性能，广泛用于高接触应力条件下滑动、滚动轴承球和座，以及高温、化学腐 蚀条件下工作的结构陶瓷、冶金行业的耐火材料等。目前，制造氮化硅粉体的方法主要包括三种(1) 液相反应法、气相反应法，产量低，成本高，无法实现规模生产。(2) 碳热还原二氧化硅法、燃烧合成法，合成的产品质量低，无法获得高质量氮化硅；(3) 硅粉直接氮化法，均采用保持氮气压力恒定的方式操作，单纯靠控制温度来进行氮 化硅的合成，无法控制P-Si3N4相的生成量，导致产品中的a-Si3N4相含量较低。 发明内容本发明的目的在于提供一种改进的氮化硅制备方法，制得的a-Si3N,相含量高，而且能耗 低，生产成本低，适合大规模生产。本发明所述的高a -313队相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1) 由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉；(2) 抽真空达到(1.0—3.0) Xl(TPa;(3) 向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气氮气=(1一10) : ioo，烧成气压控制为IOO(TC前，气压控制在5—30 KPa; 1000—120(TC,气压控制在10—30 KPa; 1200—1350。C，气压控制在20—80KPa。 其中硅粉和氮化硅粉的适宜重量配比为100 : (5—15);最好控制硅粉的粒径《15um，氮化 硅粉的粒径《2ixm，对合成反应更加有利。 本发明存在的化学反应式有3Si(s)+2N2 (g) =6-Si3N4 (s) (1)3Si(l)+N2 (g) =P-Si3N4 (s) (2)3Si(g)+N2 (g) =a-Si3N4 (s) (3)2Si(s)+02 (g) =2SiO (g) (4)Si (g) +H20 (g) = Si0 (g) + H2 (g) (5)6Si0 (g) +4N2 (g) =2a-Si3N4 (s) + 302 (g) (6) 反应式中，g代表气体，s代表固体。分析研究得知，要获得高a-Si3N4相含量氮化硅粉体，必须控制反应，使其按照反应式(3) (4) (5) (6)进行，尽量避免反应(1)、 (2)的发生。本发明通过控制抽真空和氮气、氢气的充入情况，从而控制了煅烧过程的氮气、氧气、 氢气分压，从而使合成反应主要按照反应式(4)、 (6)进行，可获得高ct-Si3N4相含量的氮化 硅粉体，氮化硅含量大于98%， a-Si3N4相含量高达92%，并且合成化学反应是放热反应，消 耗能量低，又加上硅源、氮气成本低，因而生产成本低，每炉可生产20吨以上，适合大规模 生产要求。


图1、本发明实施例1的产品X—射线衍射图。图2、本发明实施例2的产品X—射线衍射图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。 实施例1本发明所述的高a -Si3N4相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1) 由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉，其中，硅粉的粒径《15iim，氮化硅粉的粒 径《2um，硅粉和氮化硅粉的重量配比为100 : 8;(2) 抽真空达到2.0X10—2Pa;(3) 向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气氮气=5:100，烧成气压控制为IOO(TC前，气压控制在10 KPa;1000—1200。C，气压控制在10—30KPa (《10 KPa时充气，》30 KPa时停止充气)； 1200—1350。C，气压控制在20—40KPa (《20 KPa时充气，》40 KPa时停止充气)。 烧成获得产品X—射线衍射图见图1。实施例2本发明所述的高a -Si凡相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1) 由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉，其中，硅粉的粒径《15lim，氮化硅粉的粒 径《2um，硅粉和氮化硅粉的重量配比为100 : 8;(2) 抽真空达到2.5Xl()2pa;(3) 向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气氮气=7:100，烧成 气压控制为IOO(TC前，气压控制在15 KPa;1000—1200。C，气压控制在10—30 KPa (《10 KPa时充气，》30 KPa时停止充气)； 1200—135(TC，气压控制在20—50KPa (《20 KPa时充气，》50 KPa时停止充气)。 烧成获得产品X—射线衍射图见图2。 实施例3本发明所述的高a -31凡相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1) 由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉，其中，硅粉的粒径《15um，氮化硅粉的粒 径《2um，硅粉和氮化硅粉的重量配比为10 : 1;(2) 抽真空达到1. 5X 10—2Pa;(3) 向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气氮气=8:100，烧成气压控制为1000。C前，气压控制在20KPa;1000—1200。C，气压控制在10—30 KPa (《10 KPa时充气，》30 KPa时停止充气)； 1200—1350。C，气压控制在20—60 KPa (《20 KPa时充气，》60 KPa时停止充气)。 实施例4本发明所述的高a -Si3N4相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1) 由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉，其中，硅粉的粒径《15um，氮化硅粉的粒 径《2um，硅粉和氮化硅粉的重量配比为100 : 12;(2) 抽真空达到2X10—2Pa;(3) 向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气氮气=6:100，烧成气压控制为IOOO'C前，气压控制在25 KPa;1000—1200。C，气压控制在10—30 KPa (《10 KPa时充气，》30 KPa时停止充气)；1200—1350°C，气压控制在20—70 KPa (《20 KPa时充气，》70 KPa时停止充气)。 实施例5本发明所述的高a -Si美相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1) 由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉，其中，硅粉的粒径《15lim，氮化硅粉的粒 径《2um，硅粉和氮化硅粉的重量配比为100 : 7;(2) 抽真空达到3X10—2Pa;(3) 向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气氮气=4:100，烧成 气压控制为IOOO"C前，气压控制在30 KPa;1000—1200。C，气压控制在10—30 KPa (《10 KPa时充气，》30 KPa时停止充气)； 1200—1350°C,气压控制在20—80KPa (《20 KPa时充气，>80 KPa时停止充气)。
权利要求
1. 一种高α-Si3N4相氮化硅制备方法，其特征在于依次按照以下步骤进行(1)由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉；(2)抽真空达到(1.0-3.0)×10-2Pa；(3)向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气∶氮气＝(1-10)∶100，烧成气压控制为1000℃前，气压控制在5-30KPa；1000-1200℃，气压控制在10-30KPa；1200-1350℃，气压控制在20-80KPa。
2、 根据权利要求1所述的高a-Si3N4相氮化硅制备方法，其特征在于硅粉和氮化硅粉的 重量配比为100 : (5—15)。
3、 根据权利要求2所述的高a -Si3N4相氮化硅制备方法，其特征在于硅粉的粒径《15 u m。
4、 根据权利要求2或3所述的高a-Si3N4相氮化硅制备方法，其特征在于氮化硅粉的粒 径《2y m。
全文摘要
本发明涉及一种高α-Si₃N₄相氮化硅制备方法，依次按照以下步骤进行(1)由硅粉和氮化硅粉混合均匀压块装炉；(2)抽真空达到(1.0-3.0)×10^-2Pa；(3)向炉内充入氢气和氮气，氢气和氮气的充入体积比为氢气∶氮气＝(1-10)∶100，烧成气压控制为1000℃前，气压控制在5-30KPa；1000-1200℃，气压控制在10-30KPa；1200-1350℃，气压控制在20-80KPa。制得的α-Si₃N₄相含量高，而且能耗低，生产成本低，适合大规模生产。
文档编号C01B21/00GK101269803SQ20081001586
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月6日 优先权日2008年5月6日
发明者刘天程, 刘宝英, 刘德军, 樊震坤, 勇 范, 许业静, 高礼文 申请人:山东硅苑新材料科技股份有限公司