一種生產氮化硅的系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于氮化硅生產技術領域，具體涉及一種生產氮化硅的系統。
【背景技術】
[0002]氮化硅具有機械強度高、熱穩定性好、化學穩定性好等優點，對于現代技術中經常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質和高磨損的工作環境，具有特殊的用途。氮化硅在工業上的用途很廣泛，可應用于冶金、機械、化工、半導體、航空航天和汽車工業領域，作為渦輪葉片、高溫軸承、高速切削工具、耐熱部件、耐磨耐腐部件等。隨著氮化硅應用范圍的不斷擴大和對氮化硅品質要求的不斷提高，氮化硅粉體的制備越來越受到重視。
[0003]已經商業化應用的氮化硅制備技術有四種:(1)硅粉直接氮化法，包括低壓高溫氮化和高壓自蔓延氮化；(2)碳熱還原法，由二氧化硅和碳粉在氮氣中發生氧化還原反應生成氮化硅；(3)低溫硅烷法，由四氯化硅和氨氣生成中間產物含氮硅烷化合物Si(NH)2，然后再熱解為氮化硅；(4)高溫硅烷法，由四氯化硅或甲硅烷在高溫下直接和氨氣發生反應生成氮化硅。在上述方法中，低溫硅烷法和高溫硅烷法容易實現對原材料的提純，適宜于高純氮化硅粉體的制備。但高溫硅烷法中，甲硅烷易燃易爆，危險性高，而以四氯化硅作為原料時，需要采用等離子體、激光等技術進行反應強化，投資大，產率低，成本高。
[0004]低溫硅烷法所制備的氮化硅以其高質量被人們普遍接受，但低溫硅烷法中含氮硅烷化合物的合成為強放熱的快速反應，含氮硅烷化合物中容易夾帶氯元素，因此目前其生產一般采用四氯化硅和氨的液液界面反應來控制反應速度，然后再用大量液氨洗去氯化銨副產物的方法得到純凈的含氮硅烷化合物，最后再熱分解為氮化硅。液液界面反應速率慢，工藝復雜，產能低，致使其成本一直高居不下。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的上述不足，提供一種生產氮化硅的系統，該系統可以將制備過程中生成的氨氣再利用與第二氯硅烷反應，重新生成了制備氮化硅所需的中間體第二含氮硅烷化合物，從而節約了成本。
[0006]解決本實用新型技術問題所采用的技術方案是提供一種生產氮化硅的系統，包括:
[0007]第一反應器，用于載氣中原料第一氯硅烷與原料第一氨氣反應，得到第一固體混合物和第一氣體混合物，其中，所述第一固體混合物包括所述第一氯硅烷與所述第一氨氣反應生成的第一含氮硅烷化合物和第一氯化銨，所述第一氣體混合物包括載氣和第一氨氣；
[0008]加熱裝置，與所述第一反應器連接，所述第一反應器內的所述第一固體混合物進入所述加熱裝置，所述加熱裝置用于加熱所述第一固體混合物反應，得到第二固體物質和第二氣體混合物，其中，所述第二氣體混合物包括所述第一氯化銨經過加熱生成的氨氣和氯化氫，所述第二固體物質包括所述第一含氮硅烷化合物經過加熱生成的高α相含量的氮化娃；
[0009]淋洗塔，與所述加熱裝置連接，所述第二氣體混合物進入所述淋洗塔，所述淋洗塔用于通入第二氯硅烷對所述第二氣體混合物進行淋洗，得到第三固體混合物和第三氣體物質，其中，所述第三固體混合物包括所述第二氯硅烷與所述第二氣體混合物中的氨氣反應生成的第二含氮硅烷化合物和第二氯化銨，所述第三氣體物質包括氯化氫。
[0010]本實用新型的生產氮化硅的系統可以將制備過程中生成的氨氣再利用與第二氯硅烷反應，重新生成了制備氮化硅所需的中間體第二含氮硅烷化合物，從而節約了成本。
[0011]第一反應器內的反應為氣氣反應，原料氣的流量和反應均很容易控制。
[0012]本實用新型的含氮硅烷化合物一般也稱為硅二亞胺，容易吸收或放出氨氣后以S1-N-H系化合物形式存在，含氮硅烷化合物多數可用Si (NH)2式表示，Si (NH)2并不是一具體的物質，該類化合物可以為Si6N13H15、Si6N12H12、Si6NnH9等。
[0013]所述第一反應器內的載氣為氮氣、氨氣、惰性氣體中的一種，通過載氣對反應所用的原料進行稀釋。
[0014]氯硅烷用載氣通入，優選的載氣為氮氣，并控制氮氣的流量為第一氯硅烷的2倍以上，以控制反應速度并防止生產氮化硅的系統出現管道堵塞。
[0015]優選的是，所述第一氯硅烷為四氯化硅、三氯氫硅、二氯二氫硅中的一種或幾種。
[0016]所采用的原料第一氯硅烷和原料第一氨氣純度均在99.99%及以上，另外第一氨氣和載氣均要進行脫水處理。
[0017]優選的是，所述第一反應器內，所述加熱載氣中原料第一氯硅烷與原料第一氨氣反應的溫度為10?100°C，壓力為0?IMPa。
[0018]優選的是，所述第一反應器內，所述第一氯硅烷和所述第一氨氣的摩爾比為1:(6?30)。氨氣過量可以使得氯硅烷反應完全。
[0019]優選的是，所述淋洗塔的塔釜與所述加熱裝置的入口連接，用于所述第三固體混合物進入所述加熱裝置。則所述第三固體混合物與所述第一固體混合物混合，重復循環所述加熱裝置內的反應。
[0020]優選的是，所述加熱裝置包括:
[0021 ] 第一加熱器，包括第一加熱器的入口、第一加熱器的第一出口、第一加熱器的第二出口，所述第一加熱器的入口與所述第一反應器連接，用于所述第一反應器內的所述第一固體混合物進入所述第一加熱器，在非氧化性氣氛下，加熱所述第一固體混合物反應，得到第四固體混合物和第四氣體混合物，所述第四氣體混合物包括所述第一加熱器內的所述非氧化性氣氛的氣體、所述第一氯化銨發生熱分解生成的氨氣和氯化氫，所述第四固體混合物包括所述第一含氮硅烷化合物，通過該步除去了副產物第一氯化銨，所述第一加熱器的第一出口與所述淋洗塔連接，所述第四氣體混合物經過所述第一加熱器的第一出口進入所述淋洗塔；
[0022]第二加熱器，包括第二加熱器的入口、第二加熱器的第一出口、第二加熱器的第二出口，所述第二加熱器的入口與所述第一加熱器的第二出口連接，用于所述第一加熱器內的所述第四固體混合物進入所述第二加熱器內，在氨氣氣氛下，加熱所述第四固體混合物，得到第五固體混合物和第五氣體混合物，所述第五固體混合物包括所述第一含氮硅烷化合物發生熱分解生成無定形的氮化硅，所述第五氣體混合物包括氨氣氣氛的氣體、氯化氫、所述第一含氮硅烷化合物發生熱分解生成的氨氣，所述第二加熱器的第一出口與所述淋洗塔連接，所述第五氣體混合物經過所述第二加熱器的第一出口進入所述淋洗塔;所述第一含氮硅烷化合物發生熱分解生成的氨氣進入第一含氮硅烷化合物的內部，除去其中內部的氯元素，避免了現有技術中液氨洗滌除去氯元素的方法，極大簡化了氮化硅的生產流程。第一加熱器的第一出口、第二加熱器的第一出口均與淋洗塔連接，可以同時回收第四氣體混合物和第五氣體混合物中的氨氣，降低處理成本。
[0023]第三加熱器，與所述第二加熱器的第二出口連接，所述第二加熱器內的所述第五固體混合物進入所述第三加熱器內，用于在非氧化性氣氛下，加熱所述第五固體混合物，得到所述第二固體物質和所述第二氣體混合物，所述無定形的氮化硅經過加熱生成高α相含量的氮化娃。
[0024]優選的是，所述第一加熱器內，所述加熱所述第一固體混合物反應的溫度為500?600°C，加熱時間為1?2小時；
[0025]所述第二加熱器內，所述加熱所述第四固體混合物的溫度為650?1200°C，加熱時間為2?8小時；
[0026]所述第三加熱器內，所述加熱所述第五固體混合物的溫度為1250?1700°C，加熱時間為2?8小時。
[0027]優選的是，所述第三加熱器內，所述加熱所述第五固體混合物的溫度為1350?1600°C，溫度過低，則相轉變時間長，溫度過高，則容易提升氮化硅中β相的含量。
[0028]優選的是，所述的生產氮化硅的系統還包括:
[0029]第二反應器，包括第二反應器的入口和第二反應器的出口，所述第二反應器的入口與所述淋洗塔的塔頂連接，用于所述第三氣體物質由所述淋洗塔的塔頂進入所述第二反應器，所述第二反應器用于通入硅粉與所述第三氣體物質加熱反應得到第三氯硅烷，所述第二反應器的出口與第一反應器的入口連接，所述第三氯硅烷進入所述第一反應器內。則所述第三氯硅烷與所述第一氯硅烷混合，重復所述第一反應器內的反應，重新用于氮化硅的生產。
[0030]優選的是，所述第二反應器用于通入硅粉與所述第三氣體物質加熱反應得到第三氯硅烷的反應溫度為300?500°C，更優選的是，325?400°C，通過控制反應的溫度，可以調節生成的第三氯硅烷產物中各組分如四氯化硅、三氯氫硅的含量。
[0031]第二反應器內的產物第三氯硅烷也是多晶硅生產的原料，因此該產物可以并入到多晶硅生