制备高纯度α-氮化硅粉的方法及高纯度α-氮化硅粉技术

本发明专利技术提供一种制备高纯度α-氮化硅粉的方法及高纯度α-氮化硅粉，所述方法包括：在粒径为100微米以下级别的细硅粉中加入催化剂，所述催化剂能在制备氮化硅粉的反应条件下以可逆反应生成金属合化物，并使得具有金属卤化物存在；将加入了催化剂的细硅粉置于氮化炉中，在氮气和氩气的混合气氛下，于温度为1050℃-1400℃的条件下保温50-180小时，以发生氮化反应得到氮化硅粉。本发明专利技术所述的方法，通过以可逆反应形成可挥发金属卤化物的催化剂在粉末颗粒表面间往返输运，在多个位点反复起催化作用，以较少金属杂质充分催化表面反应的特殊效果，保障了产品的纯度，并提高了产物的α相含量，满足了高纯氮化硅粉的要求。满足了高纯氮化硅粉的要求。满足了高纯氮化硅粉的要求。

【技术实现步骤摘要】
制备高纯度
α-氮化硅粉的方法及高纯度
α-氮化硅粉


[0001]本专利技术属于无机非金属材料
，具体涉及一种制备高纯度α-氮化硅粉的方法，以及一种高纯度α-氮化硅粉。

技术介绍

[0002]氮化硅陶瓷是一种重要的工程陶瓷材料和电子陶瓷材料，具有高硬度、高强度、高韧性、低热膨胀系数、优秀的抗热震性和电绝缘等优异性能，在轻金属冶炼、半导体制造、高精度轴承、工业刃具、电力电子器件等领域都得到广泛的应用。
[0003]然而，过渡金属杂质的存在会降低氮化硅陶瓷材料的硬度、强度，尤其是高温机械性能。因此，高纯度的优质氮化硅粉体对氮化硅陶瓷材料至关重要。工业上，氮化硅粉体主流合成工艺有硅粉直接氮化法、二氧化硅还原氮化法、硅亚胺分解法、自蔓燃法等。相比二氧化硅还原氮化法不可避免地残留游离碳等未充分反应物杂质、硅亚胺法的高成本、自蔓燃法产物蓬松形貌不规则不适合用于高等级陶瓷制品等不足，直接氮化法提供了一种高性价比、量产品质良好的氮化硅粉体合成的工艺路线。
[0004]然而，高纯硅粉直接氮化反应是一个能垒较高的放热反应，此反应在低温下难以发生，但在足够高的温度下一经引发反应就容易超温使反应失控，影响氮化硅粉体的品质。因此，高纯硅原料的直接氮化需要付出高成本与低效率的代价，往往需要将硅粉极度细化以提高反应活性，由此带来一系列副作用，包括高昂的粉碎成本，激烈粉碎带来的杂质混入，以及过度粉碎的超细微粉原料松装密度非常低、降低装料量从而影响生产效率，等等。
[0005]为了改善生产效率，工业上一般依赖金属杂质催化硅粉的直接氮化反应。其主要原理是硅粉表面总会存在纳米尺度的氧化层，阻碍氮化反应发生；通过引入金属杂质、在高温下局部形成低熔点熔融物，一方面克服氧化层的阻碍辅助传质，促进固相原料的氮化反应，另一方面促进氧化硅挥发并发生气相氮化反应。但金属杂质的引入一方面需要混入足量杂质粉体以污染所有硅粉表面，降低了产物纯度，另一方面较多的熔融液相会导致β-Si3N4含量相应上升，降低了氮化硅中α相的含量。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种制备高纯度α-氮化硅粉的方法及高纯度α-氮化硅粉，制备的氮化硅粉纯度高、α相的含量高，且反应平稳，性价比高。
[0007]解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是：
[0008]本专利技术一方面提供一种制备高纯度α-氮化硅粉的方法，包括：
[0009]在粒径为100微米以下级别的细硅粉中加入催化剂，所述催化剂能在制备氮化硅粉的反应条件下以可逆反应生成金属化合物、并使得具有金属卤化物存在；
[0010]将加入了催化剂的细硅粉置于氮化炉中，在氮气和氩气的混合气氛下，于温度为1050℃-1400℃的条件下保温50-180小时，以发生氮化反应得到氮化硅粉。
[0011]进一步的，在所述制备氮化硅粉的反应条件下，所述催化剂包含金属、金属化合物和卤化铵中的一种或多种；
[0012]所述制备氮化硅粉的反应条件，是指：反应中存在可挥发金属卤化物或生成可挥发金属卤化物中间物，为此，具体是指：
[0013]在所述催化剂包含金属时，所述制备氮化硅粉的反应条件包括充入含有卤素的气体及氢气；或
[0014]在所述催化剂包含金属化合物，并且所述金属化合物中无卤素成分时时，所述制备氮化硅粉的反应条件包括充入含有卤素的气体及氢气；或
[0015]在所述催化剂包含卤化铵时，所述催化剂中还包括加入有能在催化条件下反应生成金属卤化物的金属杂质或金属化合物。
[0016]金属杂质是指：Fe、Al、Ca、Cr、Ni、Cu、Zn等，其中Fe是最主要的金属杂质。
[0017]进一步的，所述催化剂和细硅粉混合后其中的金属成分含量控制在100-500ppm。以此来确定所述催化剂的用量。
[0018]进一步的，制备高纯度α-氮化硅粉的方法还包括：在发生氮化反应得到氮化硅粉的过程中，在氮化炉中充入有氢气，所述氢气的体积含量为a，其中，1％≤a≤13％。
[0019]进一步的，制备高纯度α-氮化硅粉的方法还包括：在发生氮化反应得到氮化硅粉的过程中在氮化炉中充入有卤素气体，所述卤素气体的体积含量为b，其中，0＜b≤5％。
[0020]进一步的，在发生氮化反应得到氮化硅粉的过程中，所述氮气与氩气合计体积含量维持在x+/-3％的范围内，其中85≤x≤99％；并且随氮化反应过程逐步提升氮气比例，降低氩气比例。
[0021]进一步的，在发生氮化反应得到氮化硅粉的过程中，保持氮化炉中的压力在0.15-0.5MPa。
[0022]进一步的，通过将高纯度的硅锭或硅碎料逐级粉碎得到所述粒径为100微米以下级别的细硅粉；或者，
[0023]通过将高纯度的硅锭或硅碎料逐级粉碎得到高纯度超细硅粉后，再将高纯度超细硅粉造粒粗化得到粒径为100微米以下级别的细硅粉；
[0024]所述高纯度的硅锭或硅碎料的铁、铝、钙的含量都小于100ppm，总金属杂质含量不大于400ppm；
[0025]所述高纯度超细硅粉的颗粒度为：D50为1-10μm，D90小于30μm；铁、铝、钙的含量都小于100ppm，总金属杂质含量不大于400ppm；
[0026]所述粒径为100微米以下级别的细硅粉的颗粒度为：D50为1-50μm，D90小于80μm；并且铁、铝、钙的含量都小于100ppm，总金属杂质含量不大于400ppm。
[0027]进一步的，在氮化反应完成后，还包括：将氮化炉停炉后泄压，并通入置换气体，以置换掉氮化炉中的气体；所述置换气体一般为氮气。
[0028]进一步的，发生氮化反应得到氮化硅粉之后，还包括：
[0029]对得到的氮化硅粉进行粉碎；
[0030]对所述粉碎后的氮化硅粉进行盐酸或氢氟酸和盐酸的混合溶液酸洗，然后用去离子水清洗并过滤2-4次，再进行干燥。
[0031]本专利技术另一方面提供一种高纯度α-氮化硅粉，按以上任一项所述的方法制备而
成。
[0032]有益效果：
[0033]本专利技术所述的制备高纯度α-氮化硅粉的方法，通过在细硅粉中加入能够以可逆反应形成可挥发金属卤化物的催化剂，使硅粉在发生氮化反应时，催化剂能够以气相传输，并分解沉积，在氮化炉内粉末颗粒表面间往返输运，在多个位点反复起催化作用，以较少金属杂质充分催化表面反应的特殊效果，并在停炉之后泄压，通过置换气体，将气体的卤化物催化剂抽走，保障了产品的纯度，同时，较少的金属杂质使得氮化硅的α
→
β晶型转化不易发生，提高了产物的α相含量。使用上述方法制备的氮化硅粉，α-[0034]相含量≥92％，总金属杂质含量小于300ppm，满足了高纯氮化硅粉的使用要求。
附图说明
[0035]图1为本专利技术实施例一提供的一种制备高纯度α-氮化硅粉的方法的流程图。
具体实施方式
[0036]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备高纯度α-氮化硅粉的方法，包括：在粒径为100微米以下级别的细硅粉中加入催化剂，所述催化剂能在制备氮化硅粉的反应条件下以可逆反应生成金属化合物、并使得具有金属卤化物存在；将加入了催化剂的细硅粉置于氮化炉中，在氮气和氩气的混合气氛下，于温度为1050℃-1400℃的条件下保温50-180小时，以发生氮化反应得到氮化硅粉。2.根据权利要求1所述的制备高纯度α-氮化硅粉的方法，其特征在于，根据所述制备氮化硅粉的反应条件下，所述催化剂包含金属、金属化合物和卤化铵中的一种或多种；所述制备氮化硅粉的反应条件，是指：反应中存在可挥发金属卤化物或生成可挥发金属卤化物中间物，为此，具体是指：在所述催化剂包含金属时，所述制备氮化硅粉的反应条件包括充入含有卤素的气体及氢气；或在所述催化剂包含金属化合物，并且所述金属化合物中无卤素成分时，所述制备氮化硅粉的反应条件包括充入含有卤素的气体及氢气；或在所述催化剂包含卤化铵时，所述催化剂中还包括加入有能在催化条件下反应生成金属卤化物的金属杂质或金属化合物。3.根据权利要求2所述的制备高纯度α-氮化硅粉的方法，其特征在于，所述催化剂和细硅粉混合后其中的金属成分含量控制在100-500ppm。4.根据权利要求1所述的制备高纯度α-氮化硅粉的方法，其特征在于，还包括：在发生氮化反应得到氮化硅粉的过程中在氮化炉中充入有氢气，所述氢气的体积含量为a，其中，1％≤a≤13％。5.根据权利要求1所述的制备高纯度α-氮化硅粉的方法，其特征在于，还包括：在发生氮化反应得到氮化硅粉的过程中在氮化炉中充入有卤素气体，所述卤素气体的体积含量为b，其中，0＜b≤5％。6.根据权利要求1所述的制备高纯度α-氮化硅粉的方法，其特征在于，在发生氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耀华，王思嘉，李小东，马海安，宗鑫，张吉武，黄彬，
申请(专利权)人：新疆晶硕新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：