一種反應燒結制備氮化硅坩堝的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種反應燒結制備氮化硅坩禍的方法，屬于化學領域。
【背景技術】
[0002]氮化硅坩禍具有較高的熱穩定性和化學穩定性、抗氧化性強、耐腐蝕性強、耐熱震、高強度、高硬度等特點，且與有色金屬熔體具有不潤濕性，因此氮化硅坩禍可以應用于高溫氧化及熔鹽、酸堿腐蝕等苛刻的工作環境，目前氮化硅坩禍在鋁、銅、鎂等有色金屬熔煉領域也已逐步得到應用。
[0003]特別值得一提的是，在多晶硅鑄錠過程中，氮化硅坩禍將成為石英坩禍的首選替換材料。目前在多晶硅鑄錠時，為了盡量防止石英坩禍與液態硅發生反應，會在石英坩禍的表面涂覆一層氮化硅涂層。但是致密的氮化硅材料必須在氮氣保護氛圍及高溫環境下液相燒結，且通常致密的氮化硅材料燒結后尺寸比燒結前收縮10%以上，所以石英坩禍表面涂覆的氮化硅層很難達到高致密的程度。石英坩禍涂覆氮化硅材料后還會出現涂層脫落或粘禍的現象，導致坩禍不能多次使用。而氮化硅坩禍較之石英坩禍，在高溫環境中不僅有足夠的強度，還具有優異的抗熱震性，即使在高溫后急劇冷卻的情況下也不會產生裂紋，因此可以在硅晶制備過程中多次重復使用，延長了硅晶制備所用坩禍的使用壽命，降低了硅晶制備的成本。
[0004]目前，氮化硅坩禍主要采用氣壓燒結、常壓燒結、熱壓燒結等制備方法，且需要添加A1203、MgO、Y203、CeO2等金屬氧化物為燒結助劑。而用添加金屬氧化物的氮化硅坩禍制備硅晶后，硅晶中的氧、碳及金屬雜質含量增大，超出了硅晶中氧、碳等雜質的最低標準，所得的硅晶存在晶體缺陷，電阻率大大降低，性能指標降低。因而，上述方法制備的氮化硅坩禍不適合應用于娃晶制備。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種反應燒結制備氮化硅坩禍的方法，本發明采用的原料及配比科學合理、生產方法安全、成本低、雜質含量低，所制成的不同尺寸的氮化硅坩禍能滿足不同使用工況的應用要求。
[0006]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種反應燒結制備氮化硅坩禍的方法，包括:
[0007]I)將硅粉、粘結劑和溶劑加入到球磨機中，在80?120r/min的條件下球磨濕混15?30小時，混合均勻后，得漿料，其中，所述粘結劑添加量為硅粉重量的0.1%?0.3%,所述溶劑添加量為硅粉重量的I?2倍，
[0008]或將硅粉、氮化硅粉、粘結劑和溶劑加入到球磨機中，在80?120r/min的條件下球磨濕混15?30小時，混合均勻后，得漿料，其中，所述氮化硅粉添加量占硅粉與氮化硅粉總重量的10%?40%，所述粘結劑添加量為娃粉與氮化娃粉總重量的0.1%?0.3%，所述溶劑添加量為硅粉與氮化硅粉總重量的I?2倍，
[0009]2)將I)制備的漿料放入干燥箱內烘干，得粉體，將粉體過120目篩，取篩下物；
[0010]3)將2)所得篩下物均勻地灑在氮化硅坩禍模具的型腔內，壓制成生坯；
[0011]4)將3)所得生坯升溫至550?650°C，干燥排膠；
[0012]5)將干燥排膠后的生坯放在石墨坩禍中，將石墨坩禍放入氣壓燒結爐內，進行反應燒結，并升溫至1250?1400°C，待反應燒結結束后，降溫到100?150°C出爐，即得氮化娃i甘禍。
[0013]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0014]進一步，在I)中，所述娃粉的純度彡99.9%，粒徑分布在0.1?50 μm ;所述氮化硅粉為a -Si3N4,純度^ 99.9%,粒徑分布在0.1?50 μm。
[0015]進一步，在I)中，所述粘結劑為聚合度300?3000的聚乙烯醇或羧甲基纖維素，所述溶劑為水和體積分數多95%的乙醇按體積比2:1組成的混合物。
[0016]進一步，在3)中，所述氮化硅坩禍模具的尺寸為:圓形氮化硅坩禍的直徑20?1000mm、高度20?1000mm、厚度2?30_ ;方形氮化娃i甘禍的長度20?1000mm、高度20?1000mm、厚度 2 ?30mm。
[0017]進一步，在3)中，所述壓制成生坯采用機壓或等靜壓成型。
[0018]進一步，在5)中，在氣壓燒結爐內溫度升至400°C的過程中，向氣壓燒結爐中充入尚純氣氣；
[0019]當氣壓燒結爐內溫度升至400〈T〈900°C時，抽真空為-1MPa，隨后充入體積比為20:1的高純氮氣和高純氫氣的混合氣體，重復此步驟3次；
[0020]當氣壓燒結爐內溫度升至900 <T〈1100°C時，繼續通入體積比為20:1的高純氮氣和高純氫氣的混合氣體，不換氣；
[0021]當氣壓燒結爐內溫度升至1100 ( IX1250°C時，按反應速度充入體積比為6:3:1的高純氮氣、高純氫氣和高純氬氣的混合氣體，將氣壓燒結爐內壓力控制在1.0?1.5Mpa，此過程不換氣；
[0022]當氣壓燒結爐內溫度升至1250 ( 1'〈1400°〇時，繼續按體積比6:3:1通入高純氮氣、高純氫氣和高純氬氣的混合氣體，保溫10?30小時，并每2小時換氣一次。
[0023]本發明中所用高純氮氣、高純氫氣和高純氬氣是本領域公認的純度>99.999%的氣體。
[0024]本發明提供一種反應燒結制備氮化硅坩禍的方法，有如下的優點:
[0025](I)燒結溫度低；
[0026](2)能制備出大尺寸的坩禍；
[0027](3)燒成品收縮率〈0.2%，易獲得凈尺寸制品，減少后加工成本，減小產品開裂幾率;
[0028](4)具有優良的抗高溫蠕變性；
[0029](5)采用高純硅粉、氮化硅粉作為燒結原料，不需添加燒結劑，燒制出的氮化硅坩禍雜質含量少、純度高；
[0030](6)通過調整硅粉的粒度配比，坩禍的致密度較高。
[0031]鑒于上述優點，本發明生產的反應燒結氮化硅坩禍耐高溫、耐腐蝕、耐磨等性能均達到很高的水平，而且雜質含量非常低，能廣泛應用于金屬熔融、硅晶鑄錠、樣品分析等方面。
【具體實施方式】
[0032]以下結合對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0033]實施例1
[0034]本發明是一種反應燒結制備氮化硅坩禍的方法，包括:
[0035]I)將純度彡99.9%的硅粉、氮化硅粉、聚乙烯醇(聚合度300?3000)和溶劑加入到球磨機中，110r/min球磨濕混20小時，混合均勾后，得楽料，
[0036]其中，硅粉由粒度為5 μπι的硅粉和粒度為30 μm的硅粉按質量比5:12組成，氮化娃粉添加量占娃粉與氮化娃粉總重量的15%，聚乙稀醇添加量為娃粉與氮化娃粉總重量的0.15%，溶劑添加量為硅粉與氮化硅粉總重量的I倍，氮化硅粉為a -Si3N4，純度彡99.9%,粒徑分布為10 μ m，溶劑為水和體積分數多95%的乙醇按體積比2:1組成的混合物。
[0037]2)將I)制備的漿料放入干燥箱內烘干，得粉體，將粉體過120目篩，取篩下物；
[0038]3)將2)所得篩下物均勻地灑在200mmX 200mmX 1mm的方形模具型腔內，用冷等靜壓成型壓制成生坯；
[0039]4)將3)所得生坯升溫至550°C，干燥排膠；
[0040]5)將干燥排膠后的生坯放在石墨坩禍中，將石墨坩禍放入氣壓燒結爐內，進行反應燒結，在氣壓燒結爐內溫度升至400°C過程中，向氣壓燒結爐中充入高純氮氣；當氣壓燒結爐內溫度升至400〈T〈900°C時，抽真空為-1MPa，隨后充入體積比為20:1的高純氮氣和高純氫氣的混合氣體，重復此步驟3次；當氣壓燒結爐內溫度升至900 ( T〈1100°C時，繼續通入體積比為20:1的高純氮氣和高純氫氣的混合氣體，不換氣；當氣壓燒結爐內溫度升至1100 ( 1'〈1250°0時，按反應速度充入體積比6:3:1的高純氮氣、高純氫氣和高純氬氣的混合氣體，將氣壓燒結爐內壓力控制在1.0?1.5Mpa，此過程不換氣；當氣壓燒結爐內溫度升至1250 ( T〈1400°C時，繼續按體積比6:3:1通入高純氮氣、高純氫氣、高純氬氣的混合氣體，保溫16小時，并每2小時換氣一次，升溫至1400°C，待反應燒結結束后，降溫到100?150°C出爐，即得氮化硅坩禍。
[0041]實施例2
[0042]I)將純