一種新型氮化硅粉體的合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型氮化硅粉體的制備方法,該方法是采用復(fù)合等離子氣相沉積法制備出高純、超細(xì)、分散性好的氮化硅粉體,適應(yīng)批量生產(chǎn)的需求,可廣泛應(yīng)用于制造耐高溫部件、化學(xué)工業(yè)中耐腐蝕部件等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅陶瓷材料作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料,具有比重輕、高溫且強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小、彈性模量高、耐熱沖擊、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)。氮化硅的性能足以與高溫合金相媲美,主要應(yīng)用于制造耐高溫部件、化學(xué)工業(yè)中耐腐蝕部件等領(lǐng)域。正因?yàn)榈杈哂衅渌牧喜豢杀葦M的優(yōu)異性能,人們對(duì)氮化硅陶瓷研究深度與力度不斷加大,是結(jié)構(gòu)陶瓷研究中最為深入的材料,因此合成高純度、超細(xì)氮化硅粉體的新方法不斷涌現(xiàn)。
[0003]目前,制備氮化硅粉體的常見(jiàn)方法包括:硅粉直接氮化法、碳熱還原法、熱分解法及氣相反應(yīng)法。但上述方法存在著反映條件不易控制,其合成的產(chǎn)物雜質(zhì)較多,制備的氮化硅粉體粒度粗大等缺點(diǎn),最終會(huì)直接影響氮化硅陶瓷的性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明以解決上述問(wèn)題為目的,而提供一種復(fù)合等離子氣相沉積法制備氮化硅粉體,分別以不同硅源、混合氣態(tài)氮源為原料,在等離子反應(yīng)腔體內(nèi)充分反應(yīng)得到氮化硅粉體,經(jīng)后續(xù)水處理除去多余雜質(zhì),制備出高純、超細(xì)、分散性好的氮化硅粉體,有效地解決了上述氮化硅粉體粒度大、純度低等缺點(diǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種新型氮化硅粉體的合成方法,該合成方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0006]1、原料組成及組成范圍:以SiCl4S SiBr4S SiI4S SiH4中的一種為硅源,以N2-NH3-Ar為工作氣體,原料組成按摩爾比,Si源:N源=1_1.7:3-4.2,其中氮源的化學(xué)組成按摩爾比,N2INH3= 0.2-1.0:1-3.2 ;
[0007]2、具體實(shí)現(xiàn)步驟:通入2.0m3/h的Ar氣體,排除空氣,注入液態(tài)(去掉)硅源,將氮源的混合氣體通入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),其中氮源混合氣體的流量控制在5-10m3/h,在5-55kW功率下,形成等離子體,以3°C /min?6°C /min的升溫速率,升溫至1000-1400°C,反應(yīng)I?3h,此時(shí)硅源與氮源發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)完全后,以5°C /min?7°C /min降溫,當(dāng)溫度降至500?600°C時(shí)保溫I?2h,去除雜質(zhì),得到的粉體再經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純、超細(xì)的氮化硅粉體。
[0008]本發(fā)明的有益效果及特點(diǎn):
[0009]該方法是采用復(fù)合等離子氣相沉積的方法制備納米Si3N4粉體,相比于其它制備納米粉體材料的方法,等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積具有反應(yīng)溫度低,對(duì)生成物無(wú)污染,產(chǎn)物純度高,顆粒尺寸小,具有高溫、急劇升溫和快速冷卻的特點(diǎn)。
[0010]1、本發(fā)明選用的隊(duì)和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源在等離子反應(yīng)腔體內(nèi)充分反應(yīng)。
[0011]2、反應(yīng)后得到的產(chǎn)物為粉體,經(jīng)后續(xù)的水處理,消除雜質(zhì),可以得到高純的氮化硅粉體,整個(gè)制備過(guò)程較為環(huán)保。
[0012]3、通過(guò)本發(fā)明制備的氮化硅粉體不僅具有超細(xì)、純度高、分散性好等優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)環(huán)境污染小,產(chǎn)物均為粉體,好收集,具有用途廣及可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。
[0013]該方法可避免傳統(tǒng)的Si3N4合成方法中,保溫氮化時(shí)間過(guò)長(zhǎng),能耗過(guò)高,容易引入雜質(zhì)等問(wèn)題。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明:
[0015]實(shí)例1:首先通入2.0mVh的Ar氣體,原料采用液態(tài)SiCl4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1: 3,隊(duì)和NH 3的摩爾比為0.2:2.8,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在5kW下反應(yīng),腔體以3°C /min升溫至1000°C,反應(yīng)lh,反應(yīng)完全后,以5°C /min降溫至500°C,保溫lh,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為9nm。
[0016]實(shí)例2:首先通入2.0mVh的Ar氣體,原料采用液態(tài)SiBr4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1.7:4.2,NjPNH3的摩爾比為1:3.2,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在55kW下反應(yīng),腔體以6°C/min升溫至1400°C,反應(yīng)3h,反應(yīng)完全后,以7°C /min降溫至600°C,保溫2h,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為20nm。
[0017]實(shí)例3:首先通入2.0m3/h的Ar氣體,原料采用SiI4S硅源,以1和順3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1.2:3.5,隊(duì)和NH3的摩爾比為0.5:3,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在32kW下反應(yīng),腔體以4°C /min升溫至1100°C,反應(yīng)2h,反應(yīng)完全后,以6°C /min降溫至550°C,保溫1.2h,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為12nm。
[0018]實(shí)例4:首先通入2.0m3/h的Ar氣體,原料采用液態(tài)SiH4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1.5:3.6,隊(duì)和NH3的摩爾比為0.8:2.8,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在40kW下反應(yīng),腔體以5°C /min升溫至1100°C,反應(yīng)2.5h,反應(yīng)完全后,以60C /min降溫至530°C,保溫1.5h,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為16nm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型氮化硅粉體的合成方法,該合成方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的: a、原料組成及組成范圍:以SiCl4SSiBr 4或Si 14或31!14中的一種為硅源,以N2-NH3-Ar為工作氣體,原料組成按摩爾比,Si源:N源=1-1.7: 3-4.2,其中氮源的化學(xué)組成按摩爾比,N2 = NH3= 0.2-1.0:1-3.2 ; b、具體實(shí)現(xiàn)步驟:通入2.0m3/h的Ar氣體,排除空氣,注入硅源,將氮源的混合氣體通入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),其中氮源混合氣體的流量控制在5-10m3/h,在5-55kW功率下,形成等離子體,以3°C /min?6°C /min的升溫速率,升溫至1000_1400°C,反應(yīng)I?3h,此時(shí)硅源與氮源發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)完全后,以5°C /min?7°C /min降溫,當(dāng)溫度降至500?600°C時(shí)保溫I?2h,去除雜質(zhì),得到的粉體再經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純、超細(xì)的氮化硅粉體。2.如權(quán)利要求1所述的一種新型氮化硅粉體的合成方法,其具體合成方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的: 首先通入2.0mVh的Ar氣體,原料采用液態(tài)SiCl4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1:3,隊(duì)和NH3的摩爾比為0.2:2.8,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在5kW下反應(yīng),腔體以3°C /min升溫至1000 °C,反應(yīng)lh,反應(yīng)完全后,以5°C /min降溫至5000C,保溫lh,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為9nm。3.如權(quán)利要求1所述的一種新型氮化硅粉體的合成方法,其具體合成方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的: 首先通入2.0mVh的Ar氣體,原料采用液態(tài)SiBr4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1.7:4.2,隊(duì)和NH3的摩爾比為1:3.2,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在55kW下反應(yīng),腔體以6°C /min升溫至1400°C,反應(yīng)3h,反應(yīng)完全后,以7°C /min降溫至6000C,保溫2h,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為20nm。4.如權(quán)利要求1所述的一種新型氮化硅粉體的合成方法,其具體合成方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的: 首先通入2.0mVh的Ar氣體,原料采用SiI4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1.2:3.5,隊(duì)和NH3的摩爾比為0.5:3,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在32kW下反應(yīng),腔體以4°C /min升溫至1100°C,反應(yīng)2h,反應(yīng)完全后,以6°C /min降溫至550 °C,保溫1.2h,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為12nm。5.如權(quán)利要求1所述的一種新型氮化硅粉體的合成方法,其具體合成方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的: 首先通入2.0mVh的Ar氣體,原料采用液態(tài)SiH4S硅源,以N 2和NH 3的混合氣體作為氮源,硅源與氮源的摩爾比1.5:3.6,隊(duì)和NH3的摩爾比為0.8:2.8,注入等離子反應(yīng)腔體內(nèi),在40kW下反應(yīng),腔體以5°C /min升溫至1100 °C,反應(yīng)2.5h,反應(yīng)完全后,以6°C /min降溫至530°C,保溫1.5h,繼續(xù)降溫,待溫度下降至室溫后,將得到的粉體材料經(jīng)水洗二次去除雜質(zhì),得到高純氮化硅粉體,平均粒徑為16nm。
【專利摘要】一種新型氮化硅粉體的合成方法,該方法是采用復(fù)合等離子氣相沉積的方法制備納米Si3N4粉體,該方法可避免傳統(tǒng)的Si3N4合成方法存在的保溫氮化時(shí)間過(guò)長(zhǎng),能耗過(guò)高,容易引入雜質(zhì)等問(wèn)題。本發(fā)明分別采用SiCl4或SiBr4或SiI4或SiH4為原料,以N2-NH3-Ar為工作氣體,在5-55kW功率下,形成等離子體,在1000-1400℃下,在等離子反應(yīng)容器內(nèi)快速發(fā)生反應(yīng)制備出氮化硅粉體。通過(guò)本發(fā)明制備的氮化硅粉體不僅具有超細(xì)、純度高、分散性好等優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)環(huán)境污染小,產(chǎn)物均為粉體,好收集。相比于其它制備納米粉體材料的方法,復(fù)合等離子體增強(qiáng)(去掉)化學(xué)氣相沉積具有反應(yīng)溫度低,對(duì)生成物無(wú)污染,產(chǎn)物純度高,顆粒尺寸小,具有高溫、急劇升溫和快速冷卻的特點(diǎn)。
【IPC分類】C01B21/068, C04B35/584, C04B35/626
【公開(kāi)號(hào)】CN105712305
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410719051
【發(fā)明人】李軍, 許壯志, 薛健, 王欣丹, 王世林
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)鑫勁粉體工程有限責(zé)任公司