[發明專利]高α相氮化硅粉體的生產方法

有效

• 申請號: 202011438168.2
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112408992B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 夏靜豪;夏凡
• 申請（專利權）人: 安陽亨利高科實業有限公司
• 主分類號: C04B35/591
• 分類號: C04B35/591;C04B35/626
• 代理公司: 安陽金泰專利代理事務所(普通合伙) 41150
• 代理人: 王暉

高α相氮化硅粉體的生產方法，包括以下步驟：A：將硅粉研磨粉碎至D90為6μm；B：將研磨好的硅粉裝入匣缽中，裝料厚度在15?30mm之間；C：將多個裝好硅粉的匣缽上下疊放成一摞，疊放后的一摞中的各匣缽中硅粉的厚度總和小于等于300mm；D：將多摞裝好硅粉的匣缽放入真空加熱爐，多摞裝好硅粉的匣缽中的硅粉的總重量為70?100kg，多摞裝好硅粉的匣缽呈陣列形式；E：將真空加熱爐氣壓抽到100Pa以下；F：充入氮氣至60kPa；G：升溫反應。采用本方法規模化生產氮化硅，可以獲得高α相含量。

技術領域

本發明涉及氮化硅的生產方法，特別涉及高α相氮化硅粉體的產業化生產方法，屬于材料生產技術領域。

背景技術

氮化硅粉是制備氮化硅陶瓷的核心關鍵原料，其性能是影響陶瓷性能的基礎。隨著氮化硅陶瓷市場的不斷擴大，對氮化硅粉體，特別是高端氮化硅粉體的需求日益增加。

為了獲得物理力學性能優異的氮化硅陶瓷，需要原料氮化硅粉體具有以下特性：

1、氮化硅粉須具有高的α相含量，才能確保粉體具有高的燒結活性，易于獲得致密的氮化硅陶瓷，從而具有高強高韌性等性能。2、具有合理的粒徑、粒度分布及比表面積，這也是保證粉體燒結活性的關鍵因素。3、具有較高的純度。4、具有合理的氮氧含量。目前，在氮化硅粉體批量化制造方面，國內外主要集中在硅粉氮化法、液相法、自蔓燃法三種方法。

硅粉氮化法的基本原理是硅粉和氮氣、氨氣等含氮氣體在高溫下進行反應生成氮化硅，具有產品性能穩定性好、成本低等優勢，是應用最廣泛、技術最成熟氮化硅粉體批量化生產方法。

液相法合成氮化硅粉無需二次破碎、并且粒度分布均勻，但技術門檻高；自蔓延高溫合成是近年來興起的一種制備無機化合物高溫材料的新技術。其原理是依靠外部能量將金屬硅粉引燃，由于硅和氮氣的反應是放熱反應，當反應物一旦被引燃，便會自動向尚未反應的區域傳播，直至反應完全。該方法合成氮化硅粉體反應速度快、粉體純度高,成本低廉。但制備過程可控性差，氮化硅粉體α相含量低。日本UBE是目前唯一將液相法實現產業化的企業，但其氮化硅粉體成本高，高昂的價格也限制了應用。德國的ALZ，HC starck，瑞典的Vesta國際著名粉體廠商及國內大部分廠商均采用硅粉氮化法批量化生產氮化硅粉，這也是最成熟、最廣泛的氮化硅粉體批量化生產方法。

粉氮化過程雖然原理簡單，但實際反應是非常復雜的，要獲得高α相含量的氮化硅粉，核心就是對工藝過程中溫度、壓力、氣體的工藝控制，這是因為，首先硅粉氮化溫度一般是在1350℃左右，這和金屬硅的熔點1420℃十分接近，而硅粉氮化過程是放熱過程，隨著反應的進行大量放出的熱會提高物料局部溫度，會造成金屬硅熔融，即硅溢現象，進而氣體進入通道被熔融硅堵塞，造成反應不徹底，殘余游離硅含量高，所以如何控制反應速度硅粉能夠充分的氮化是工藝中核心問題；其次氮化硅粉中α相是高溫不穩定相，在局部過熱的情況下已生成的α氮化硅粉很容易部分轉化為β相，從而影響粉體的燒結活性；最后硅粉氮化過程中的氣體處反應氣體氮氣外，很多技術方案中還包括控制反應進程的氬氣、氫氣等，由于硅粉氮化過程的復雜性，整個反應不可能是按時間勻速進展的，如何設計合理的工藝在生產中能夠獲得高α相含量的氮化硅，這也是國產氮化硅粉生產的最大問題。目前產業化生產中國產氮化硅粉的α相含量一般不超過90%，且批次穩定性難以保證。雖然某些文獻中宣稱的技術方案得到的氮化硅粉的α相含量可以超過95%、甚至可以達到98%（但通過專業人士對其發表的XRD圖譜的識別，α相很多可能并沒有那么高），至今也尚未見到其量產化的產品出現，說明其工藝并不穩定、不可靠、不成熟，很可能停留在實驗室水平，因為在實際生產過程中按照實驗室的工藝可能根本就無法得到批量產品，因為在規模化生產中其控制難度、影響因素會大大增多，這致使多年來，我國大量急需的高α相含量氮化硅粉體基本依賴國外進口，已嚴重影響了我國相關領域的發展。我國受制于國外的技術清單中，高α相含量氮化硅粉的生產也是其中之一。

發明內容

本發明的目的在于克服目前高α相含量的氮化硅工業化生產中存在的上述問題，提供一種高α相氮化硅粉體的生產方法。