專利名稱：一種制備高純度氮化硅微納米粉體的方法
技術領域：
本發明涉及高純氮化硅微納米粉體的制備方法，具體涉及一種利用高純硅烷的多次氮化生產高純氮化硅微納米粉體的方法。
技術背景
由于氮化硅陶瓷具有優良的熱穩定性、抗氧化性和抗腐蝕性，極高的高溫強度、耐磨性和硬度，以及較低的熱膨脹系數，被廣泛用來制造燃氣發動機的耐高溫部件、化學工業中的耐腐耐磨零件、高速切削刀具以及高溫陶瓷軸承等，其應用領域涉及到機械、化工、電子和軍工等行業。氮化硅粉的純度是高質量質量制品的關鍵。另外，由于氮化硅不含任何金屬元素，對于熔融硅具有優異的不反應性等性能成為太陽能多晶硅鑄錠過程中涂層材料的首選。目前涂層所使用的原材料就是高純氮化硅粉。
以四氯化硅為原料通過氣相法制備氮化硅的過程中，由于氮化硅中氯離子的含量過高對粉體的應用會產生不良的影響。如何降低氯離子是制備高純度高質量氮化硅粉體的關鍵。為了降低氯離子含量，首先需要獲得高純的亞氨基硅
發明內容
本發明的目的在于提供一種通過氣相法降低亞氨基硅顆粒粒徑，并經過液氨的反復純化獲得高純的亞氨基硅，然后分解亞氨基硅獲得高純氮化硅微納米粉體的方法。
為實現本發明的上述目的，本發明采用下述方案本發明的制備高純度氮化硅微納米粉體的方法，其包括下述步驟(1)以氮氣作為載氣的氣流，將四氯化硅與氨氣分別從底部通入內壁有氮化硅襯底的管式垂直反應器中，反應器腔體內溫度保持在15(T300°C;所述載氣流速為5飛OL/min，四氯化硅流速為載氣的3 40%，四氯化硅與氨氣的流速比控制在1 :3 1 10 ；(2)將上述所得含反應產物的混合物質通入液態氨中冷卻，2h、h后，升高溫度除去液氨，得到含亞氨基硅的初級粉體；(3)將上述含亞氨基硅的初級粉體在氨氣氣氛中，于10(T30(TC下攪拌ltT3h，得到純化粉體；然后將純化粉體與液氨混合攪拌10mirT30min后過濾，將過濾后的粉體升溫至 5(T20(TC除去液氨，得到精制的亞氨基硅粉體；(4)然后將精制的亞氨基硅粉體與氨氣混合通入裝有垂直管式反應器的管式爐中，溫度控制在120(Tl5(KrC，收集粉塵，便得到高純氮化硅微納米粉體；所述高純氮化硅微納米粉體粒徑分布范圍為2 nm 5 Mm ；所述氨氣的流速0. 2L/mirT50L/min，氨氣與亞氨基硅粉體的氣固比為2% 35%。
步驟(1)中所述反應器腔體長度與內徑的比為2 =TlO :1。
步驟(1)中所述反應器腔體內設有至少一層聚四氟乙烯網狀隔板，以促進反應氣體的混合反應；本發明中所述管式垂直反應器為耐高溫材質制作的具有空腔結構且內壁有氮化硅襯底的的氣體混合反應的容器，其中空腔體結構主要有益于在高溫時的氣體的混合或反應，如附圖所示反應器構造示意，反應器底部為進氣口，腔體內部設有水平放置的網狀聚四氟乙烯隔板，頂部為出氣口，腔體外周設有加熱器。
步驟(1)中所述四氯化硅、氨氣、氮氣的純度均在99wt%以上。
步驟(3)中所述氨氣氣氛為內部流動氣體，流速為0. 5^2 L/s。
本發明通過氣相法降低亞氨基硅顆粒粒徑，并經過液氨的反復純化獲得高純的亞氨基硅，然后分解亞氨基硅獲得了純度不低于99. 99%、總氧量低于0. 03%、含氮量大于 38. 5%且附著力強、脫模效果好的高純氮化硅微納米粉體，其可以用作多晶硅鑄錠坩堝的襯底材料，還可以用于高端電子和半導體封裝及零部件的制造。同時，本發明的制備方法操作簡便，過程反應均勻，更進一步提升了產品的品質。
附圖為管式垂直反應器結構示意圖。
具體實施方式
實施例1(1)四氯化硅與氨氣分別從底部通入內壁有氮化硅襯底的垂直加熱管式反應器中，反應器腔體中的溫度保持在150°c，腔體長度為400mm，反應器腔體長度與內徑的比為5 :1。四氯化硅的流速方向與氨氣的方向存在一個夾角，夾角大小為20°，并且在四氯化硅的出口與氨氣的出口存在一個以氮氣作為載氣的氣流，氮氣流速為lOL/min，四氯化硅流速為載氣的7%，四氯化硅與氨氣的流速比例(SiC14:NH3)控制在1 :5。加熱腔體中放置3層聚四氟乙烯網狀隔板以促進反應氣體的混合反應。所述四氯化硅的純度為電子級別，氨氣純度為 99. 99%wt，所述氮氣的純度為99. 9 wt%。
(2)接著將含反應產物的混合物質通入液態氨中，反應證后，提高溫度除去液氨， 得到的含亞氨基硅的初級粉體。
(3)將上述含亞氨基硅的初級粉體在氨氣氣氛中，于100°C下攪拌lh，得到純化粉體；然后將純化粉體與液氨混合攪拌30min后過濾，將過濾后的粉體升溫至100°C除去液氨，得到精制的亞氨基硅粉體；(4)然后將亞氨基硅粉體與氨氣混合通入裝有垂直管式反應器的管式爐中，反應器內壁涂有氮化硅內襯，溫度控制在為1280°C，亞氨基硅分解，將粉塵收集，便得到純度 99. 998%、總氧量0. 026%、含氮量38. 66%的高純氮化硅微納米粉體，粒徑為20nm 50nm ；氨氣與亞氨基硅粉體的氣固比例為3%(L/g)。氨氣的流速為1.3 L/min。管式爐腔體的長度為1200mm，腔體長度與內徑的比為5:1。
實施例2(1)四氯化硅與氨氣分別從底部通入內壁有氮化硅襯底的垂直加熱管式反應器中，反應器腔體中的溫度保持在270°C，腔體長度為2100mm，反應器腔體長度與內徑的比為2 :1。 四氯化硅的流速方向與氨氣的方向存在一個夾角，夾角大小為60°，并且在四氯化硅的出口與氨氣的出口存在一個以氮氣作為載氣的氣流，氮氣流速為15L/min，四氯化硅流速為載氣的27%，四氯化硅與氨氣的流速比例(SiC14 :NH3)控制在1 :7。加熱腔體中放置5層聚四氟乙烯網狀隔板以促進反應氣體的混合反應。所述四氯化硅的純度為電子級別，氨氣純度為99. 99%wt，所述氮氣的純度為99. 9 wt%。
(2)接著將含反應產物的混合物質通入液態氨中，反應3. 5h后，提高溫度除去液氨，得到的含亞氨基硅的初級粉體。
(3)將上述含亞氨基硅的初級粉體在流速為0. 5L/s的流動的氨氣氣氛中，于 200°C下攪拌3h，得到純化粉體；然后將純化粉體與液氨混合攪拌30min后過濾，將過濾后的粉體升溫至50°C除去液氨，得到精制的亞氨基硅粉體；(4)然后將亞氨基硅粉體與氨氣混合通入裝有垂直管式反應器的管式爐中，反應器內壁涂有氮化硅內襯，溫度控制在為1420°C，亞氨基硅分解，將粉塵收集，便得到純度 99. 996%、總氧量0. 024%、含氮量38. 64%的高純氮化硅微納米粉體，粒徑40nm 80nm ；亞氨基硅粉體與氨氣的氣固比例為35%(L/g)。氨氣的流速為38 L/min。管式爐腔體的長度為 900mm，腔體長度與內徑的比為2:1。
實施例3(1)四氯化硅與氨氣分別從底部通入內壁有氮化硅襯底的垂直加熱管式反應器中，反應器腔體中的溫度保持在300°C，腔體長度為1600mm，反應器腔體長度與內徑的比為10 :1。 四氯化硅的流速方向與氨氣的方向存在一個夾角，夾角大小為120°，并且在四氯化硅的出口與氨氣的出口存在一個以氮氣作為載氣的氣流，氮氣流速為25L/min，四氯化硅流速為載氣的33%，四氯化硅與氨氣的流速比例(SiC14 :NH3)控制在1 :8。加熱腔體中放置4層聚四氟乙烯網狀隔板以促進反應氣體的混合反應。所述四氯化硅的純度為電子級別，氨氣純度為99. 99%wt，所述氮氣的純度為99. 9 wt%。
(2)接著將含反應產物的混合物質通入液態氨中，反應證后，提高溫度除去液氨， 得到的含亞氨基硅的初級粉體。
(3)將上述含亞氨基硅的初級粉體在流速為lL/s的流動的氨氣氣氛中，于200°C 下攪拌lh，得到純化粉體；然后將純化粉體與液氨混合攪拌IOmin后過濾，將過濾后的粉體升溫至100°C除去液氨，得到精制的亞氨基硅粉體；(4)然后將亞氨基硅粉體與氨氣混合通入裝有垂直管式反應器的管式爐中，反應器內壁涂有氮化硅內襯，溫度控制在為1310°C，亞氨基硅分解，將粉塵收集，便得到純度 99. 995%、總氧量0. 023%、含氮量38. 58%的高純氮化硅微納米粉體，粒徑60nm lOOnm。亞氨基硅粉體與氨氣的氣固比例為35%(L/g)。氨氣的流速為50 L/min。管式爐腔體的長度為900mm，腔體長度與內徑的比為10 :1。
實施例4(1)四氯化硅與氨氣分別從底部通入內壁有氮化硅襯底的垂直加熱管式反應器中，反應器腔體中的溫度保持在200°C，腔體長度為1600mm，反應器腔體長度與內徑的比為5 :1。 在四氯化硅的出口與氨氣的出口存在一個以氮氣作為載氣的氣流，氮氣流速為45L/min，四氯化硅流速為載氣的36%，四氯化硅與氨氣的流速比例(SiC14 :NH3)控制在1 :10。所述四氯化硅的純度為99. 9%wt，氨氣純度為99. 9%wt，所述氮氣的純度為99. 8wt%。
(2)接著將含反應產物的混合物質通入液態氨中，反應池后，提高溫度除去液氨， 得到的含亞氨基硅的初級粉體。
(3)將上述含亞氨基硅的初級粉體在流速為2L/s的流動的氨氣氣氛中，于300°C 下攪拌2h，得到純化粉體；然后將純化粉體與液氨混合攪拌20min后過濾，將過濾后的粉體升溫至200°C除去液氨，得到精制的亞氨基硅粉體；(4)然后將亞氨基硅粉體與氨氣混合通入裝有垂直管式反應器的管式爐中，反應器內壁涂有氮化硅內襯，溫度控制在為1300°C，亞氨基硅分解，將粉塵收集，便得到純度 99. 997%、總氧量0. 020%、含氮量38. 62%的高純氮化硅微納米粉體，粒徑30nm 50nm。亞氨基硅粉體與氨氣的氣固比例為20%(L/g)。氨氣的流速為20L/min。管式爐腔體的長度為 400mm，腔體長度與內徑的比為5:1。
權利要求
1.一種制備高純度氮化硅微納米粉體的方法，其特征在于包括下述步驟(1)以氮氣作為載氣的氣流，將四氯化硅與氨氣分別從底部通入內壁有氮化硅襯底的管式垂直反應器中，反應器腔體內溫度保持在15(T300°C;所述載氣流速為5飛OL/min，四氯化硅流速為載氣的3 40%，四氯化硅與氨氣的流速比控制在1 :3 1 10 ；(2)將上述所得含反應產物的混合物質通入液態氨中冷卻，2h、h后，升高溫度除去液氨，得到含亞氨基硅的初級粉體；(3)將上述含亞氨基硅的初級粉體在氨氣氣氛中，于10(T300°C下攪拌ltT3h，得到純化粉體；然后將純化粉體與液氨混合攪拌10mirT30min后過濾，將過濾后的粉體升溫至 5(T20(TC除去液氨，得到精制的亞氨基硅粉體；(4)然后將精制的亞氨基硅粉體與氨氣混合通入裝有垂直管式反應器的管式爐中，溫度控制在120(Tl50(rC，收集粉塵，便得到高純氮化硅微納米粉體；所述氨氣的流速0. 2L/ min^50L/min,氨氣與亞氨基硅粉體的氣固比為2% ；35%。
2.如權利要求1所述的制備高純度氮化硅微納米粉體的方法，其特征在于步驟(1)中所述反應器腔體長度與內徑的比為2 =TlO :1。
3.如權利要求1所述的制備高純度氮化硅微納米粉體的方法，其特征在于步驟(1)中所述反應器腔體內設有至少一層聚四氟乙烯網狀隔板，以促進反應氣體的混合反應。
4.如權利要求1所述的制備高純度亞氨基及氮化硅粉體的方法，其特征在于步驟(1) 中所述四氯化硅、氨氣、氮氣的純度均在99wt%以上。
5.如權利要求1所述的制備高純度氮化硅微納米粉體的方法，其特征在于步驟(3)中所述氨氣氣氛為內部流動氣體，流速為0.5 2 L/s。
全文摘要
本發明公開了一種制備高純度氮化硅微納米粉體的方法，其包括(1)以氮氣作為載氣的氣流，將四氯化硅與氨氣通入內壁有氮化硅襯底的管式垂直反應器(2)將所得混合物質于液氨中冷卻，除液氨得亞氨基硅初級粉體；(3)將初級粉體在氨氣中純化后再精制；(4)將精制粉體與氨氣混合通入管式爐收集粉塵即得高純氮化硅微納米粉體。本發明通過氣相法降低了亞氨基硅顆粒粒徑，并經過液氨的反復純化獲得高純的亞氨基硅，然后分解亞氨基硅獲得了高純氮化硅微納米粉體，其可以用作多晶硅鑄錠坩堝的襯底材料，還可以用于高端電子和半導體封裝及零部件的制造，同時本發明的制備方法操作簡便，過程反應均勻，更進一步提升了產品的品質。
文檔編號C01B21/068GK102491291SQ20111041714
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者林永興, 汪思保 申請人:合肥摩凱新材料科技有限公司