自蔓延高温合成氮化硅镁粉体的制备方法技术

一种自蔓延高温合成氮化硅镁（ＭｇＳｉＮ↓［２］）粉体的制备方法，属于陶瓷材料制备领域。本发明专利技术是由镁粉与氮化硅粉按摩尔比３．０～４．０∶１混合，或加入少量卤化物添加剂，在１～１０ＭＰａ的氮气或者氮气与氢气（９５～９８％∶５～２％）的混合气中反应制备的。在生产过程中，不需预先压块，反应是在碳毡制的直立环状筒或盘状容器中进行。本发明专利技术采用自蔓延高温合成工艺，与文献报道相比，不仅具有无环境污染、能耗低、适合工业大规模生产的优点，而且合成产物的纯度高，氧含量可控制为＜０．５％，适用于制备高强度、高导热氮化硅和氮化铝陶瓷基板材料和微电子封装材料的添加剂等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种合成MgSiN2粉体的制备方法，更确切地说是提供一种以氮化硅和镁粉为原料，通过自蔓延高温合成的方法(SHS)制备氮化硅镁(MgSiN2)粉体的方法。属于非氧化物超细粉体制备领域。
技术介绍
在半导体芯片数愈来愈多、布线和封装密度愈来愈高的功率电路中，电路密度和功能的不断提高已经导致电路工作温度不断上升，热效应显得更为严重。通过衬底进行散热是一种最好的热处理方法，这是消除热效应的基础，为此研究高热导率衬底材料是解决电路散热问题的最有效途径。作为封状材料和散热基片AlN和Si3N4常用烧结助剂为碱土和稀土氧化物，但这样常常会引入对热导起危害作用的氧，因此近年来，非氧化物烧结助剂开始引起人们的广泛关注。MgSiN2与AlN具有十分相似的结构，具有较高的理论热导率、较低的介电常数，具备作为陶瓷基片的基本条件，有较大的开发研制的潜力。日本的研究人员还采用氮化硅镁粉体作为氮化硅陶瓷的烧结助剂，常规烧结致密的氮化硅陶瓷的热导率可达到140Wm-1K-1，与氮化硅的理论值400Wm-1K-1还有很大的距离，表明还有很大的发展空间。要获得高性能的散热材料，首先要制备出性能优异的MgSiN2。到目前为止，MgSiN2粉体的制备有高温直接氮化法、碳热还原法等。日本的Hisoshi Uchida等，133-143]以MgSiO3为原料，采用碳热还原法获得氮化硅镁粉体，其中MgSiO3前驱体是采用Mg(NO3)2和Si(OC2H5)4共沉淀方法获得，日本的Zoltán Len é 等人，1088-93]以镁粉、硅粉、硅化镁和氮化硅粉为原料，在高纯氮气中1350℃直接合成。荷兰的W.A.Groen等人以氮化镁和氮化硅为原料，在1250℃以上的高温下氮化，日本的Hiroshi Uchida等人采用Mg和Si粉或Mg2Si为原料，在1400℃以上的高温下氮化的方法制得氧含量最低为0.76mol％的氮化硅镁粉体。虽然以上这些工艺都能制备MgSiN2粉体，但共同的缺点是生产周期长，同时需要消耗较多的能源，工艺过程复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可规模化合成高性能MgSiN2粉体的方法。也即提供一种自蔓延高温合成MgSiN2粉体的制备方法。本专利技术的目的是通过下述方式实施的。即以氮化硅和镁粉为原料，结合自蔓延高温合成工艺制备出MgSiN2粉体。本专利技术提供的氮化硅镁(MgSiN2)粉体自蔓延合成方法，特征在于(1)以α-Si3N4粉末和镁粉为原料，按Si3N4和Mg的摩尔比为3.0～4.0∶1均匀混合；(2)将步骤(1)的混合均匀的反应混合物，以粉末形式按0.65～1.28g/cm3的松装密度装入碳毡制的容器中，然后装入高压容器中进行自蔓延高压合成；反应气体压力为1～10MPa，反应时间为2～10分钟；合成后采用自然冷却；(3)所述的α-Si3N4粉末的α相含量＞83wt％，粒径为0.3～30μm，氧含量＜1wt％；所述的镁粉的纯度＞95wt％，粒径为0.5～50μm；(4)所述的自蔓延合成中所用气体为氮气或氮气与氢气的混合气体，混合气体中两者体积比为95～98∶5～2；(5)所述的反应容器为直立环状筒或盘状；(6)以α-Si3N4粉末和镁粉为原料，以卤化铵为添加剂，按Si3N4和Mg的摩尔比为3.0～4.0∶1混合，与外加2.0～10.0wt％卤化铵一起均匀混合；将混合均匀的反应混合物，以粉末形式按0.65～1.28g/cm3的松装密度装入碳毡制的容器中，然后装入高压容器中进行自蔓延高压合成；反应气体压力为1～10MPa，反应时间为2～10分钟；合成后采用自然冷却；所述的α-Si3N4粉末的α相含量＞83wt％，粒径为0.3～30μm，氧含量＜1wt％；所述的镁粉的纯度＞95wt％，粒径为0.5～50μm；所述的自蔓延合成中所用气体为氮气或氮气与氢气的混合气体，混合气体中两者体积比为95～98∶5～2；所述的反应容器为直立环状筒或盘状；(7)所述的卤化按为氯化铵或氟化铵，或氯化铵和氟化铵的混合物，两者的重量比为1∶1。本专利技术的优点是(1)本专利技术原料简单，在市场上容易获得。(2)本专利技术能制备高性能的MgSiN2粉体，产物氮化硅镁的氧含量＜0.5％。适用于制备高强度、高热导率的Si3N4和AlN陶瓷基板材料和微电子封装材料的添加剂。(3)合成工艺能耗低，除启动燃烧合成反应外，不需任何能量；(4)本专利技术提供的高压容器，无需特殊要求。仅仅是反应物或/和添加剂在均匀混合后，安放在碳毡制的直立环状筒或盘状容器中，它们的形状图分别如图1、2所示。(5)操作方便、产量大、产率高、对环境无污染、适合于规模化生产。(6)本专利技术人提出采用自蔓延高温合成技术来制备MgSiN2粉体的方法，考虑到硅化镁受潮后会产生大量易自燃的气体的缘故，因此本专利技术没有采用硅化镁而选用镁粉和氮化硅粉为原料，因此本专利技术具有更加安全可靠、且工艺简单、操作方便、能耗低、投资少等优点，真正达到大规模合成MgSiN2粉料的目的。下面通过实施例进一步阐明本专利技术的特点。附图说明图1是本专利技术提供的实施例1中采用的碳毡制的直立环状筒。图2是本专利技术提供的实施例2中采用的碳毡制的盘状容器。其中，图中1为钨丝发热体，2为点火剂，3为反应物4为碳毡容器，图1为直立环状，图2为盘状容器。图3是本专利技术提供的实施例1合成粉料的XRD图。图4是本专利技术提供的实施例1合成粉料的形貌图。具体实施例方式实施例1将镁粉和氮化硅粉按摩尔比3.5∶1混合，将粉末混合均匀后松装于外径φ60mm×内径φ55mm×高60mm碳毡制的直立环状筒(图1所示)中，松装密度为0.71g/cm3，并置于高压容器中，抽真空后充入5MPa氮气(纯度99.99％)，经通电点火自蔓延高温合成MgSiN2粉体，反应时间不超过10分钟，合成后采用自然冷却即得MgSiN2。合成出的粉料经XRD测定为MgSiN2，其XRD分析结果如图3所示，产物氧含量为0.377％。实施例2将镁粉和氮化硅粉按摩尔比3.0∶1混合，外加卤化物铵盐NH4F，加入量为2wt％，将粉末混合均匀后松装于实例1中所用的碳毡制的直立环状筒(图1所示)中，并置于高压容器中，抽真空后充入9.0MPa氮气(纯度99.99％)，经通电点火自蔓延高温合成了MgSiN2粉体，产物氧含量为0.340％。实施例3以NH4Cl代替NH4F，其余条件同实施例2，经通电点火自蔓延高温合成了MgSiN2粉体，产物氧含量为0.351％。实施例4将镁粉和氮化硅粉按摩尔比4.0∶1混合，外加卤化物铵盐NH4Cl和NH4F，加入量为2wt％，其中NH4F∶NH4Cl＝1∶1(重量比)将粉末混合均匀后松装于实例1中所用的碳毡制的直立环状筒(图1所示)中，并置于高压容器中，抽真空后充入9.5MPa氮气和氢气的混合气体，经通电点火自蔓延高温合成了MgSiN2粉体，产物氧含量为0.317％。实施例5采用实施例1相同工艺，只是将混合均匀的粉体装于碳毡制的盘状容器(图2)中，其它条件同实施方案1，也能获得高性能的MgSiN2，产物中的氧含量为0.422％。实施例6采用实施例3相同工艺，只是将混合均匀的粉体装于碳毡制的盘状容器(图2)中，其它条件同实施方案1，也能获得高性能的MgSiN2，产物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＭｇＳｉＮ↓［２］粉体的合成方法，包括配料、混合和氮化工艺过程，其特征在于：（１）以α－Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］粉末和镁粉为原料，按Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］和Ｍｇ的摩尔比为３．０～４．０∶１均匀混合；（２）将步骤（１）的混合 均匀的反应混合物，以粉末形式按０．６５～１．２８ｇ／ｃｍ↑［３］的松装密度装入碳毡制的容器中，然后装入高压容器中进行自蔓延高压合成；反应气体压力为１～１０ＭＰａ，反应时间为２～１０分钟；合成后自然冷却。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭桂花，江国建，李文兰，张宝林，庄汉锐，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]