一种生产规则形貌α相氮化硅粉体的方法技术

本发明专利技术公开了一种生产规则形貌α相氮化硅粉体的方法，其步骤是：原料处理：对粒度为100～300目的硅粉进行球磨处理12～16小时；配料：以处理后的硅粉为原料，加入稀释剂、添加剂制成配料混合物，稀释剂为α相氮化硅粉体，添加剂为碳粉和二氧化硅粉体的混合物料，其中碳粉和二氧化硅粉体的摩尔比为2∶1；混合：球磨处理后的硅粉：30～50％，稀释剂35～50％，添加剂5～20％搅拌1～4小时，使其充分混合均匀，取出后用40～60目筛网过筛；自蔓燃反应后得到成品。本发明专利技术具有纯度高，粉体形貌规则，污染少，工序简单可靠，易于实现大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生产氮化硅粉体的方法，尤其涉及一种采用自蔓燃生产太阳能用高纯规则形貌α相氮化硅粉体的方法，属于无机非金属材料

技术介绍
在传统能源濒临枯竭，油、煤和天然气价格节节攀升的紧迫形势下，新能源之一的太阳能电池板倍受世界各国重视，作为太阳能电池板最主要的原材料多晶硅需求量也在急剧增长。在多晶硅铸锭过程中，为了防止熔融硅与石英陶瓷坩埚反应并容易脱模分离，需要在石英陶瓷坩埚内表面进行涂层。石英陶瓷坩埚涂层要求高纯氮化硅粉体，杂质铁含量小于lOppm，氮化硅粉体的形貌规则，不与熔融硅与石英陶瓷坩埚两者反应，并有适中的结合强度。氮化硅粉体具有很高的化学稳定性，不与熔融硅与石英陶瓷坩埚发生反应，高纯度的氮化硅粉体也比较容易制备。因此氮化硅粉体已成为石英陶瓷坩埚的首选涂层材料， 已在多晶硅铸锭生产中成功应用。氮化硅是典型的共价键化合物，有两种晶型，分别是α 相氮化硅和β相氮化硅，α相氮化硅是颗粒状结晶体，属于低温稳定型；β相氮化硅是针状结晶体，属于高温稳定型。α相氮化娃和β相氮化娃均为六方晶系，α相氮化娃的相结构的内部应变比β相氮化硅大，故α相氮化硅自由能比β相氮化硅相高，在1400 1600°C加热，α相氮化硅会转变成β相氮化硅，在氮化硅粉体的烧结过程中一般会发生， α相氮化硅到β相氮化硅的转变，该相变通过溶解析出机制进行，同时伴随着密度致密化，α氮化硅粉体的烧结性能要远远优于β氮化硅粉体。因此在太阳能用石英陶瓷坩埚中，用α相氮化硅粉体作为石英陶瓷坩埚的涂层粉体材料。制备α相氮化硅粉体的传统方法可以分为如下几种，第一种是工业上广泛采用的金属硅粉Si直接氮化法，第二种是二氧化硅SiO2碳热还原法，第三种是化学气相合成法，第四种是相对较先进的等离子气相合成法，第五种是自蔓燃高温合成法。制备的α相氮化硅粉体可广泛的应用于太阳能铸锭石英坩埚涂层领域。金属硅粉直接氮化法是在氮气或氨气的氛围内，在电炉中加热金属硅粉使之发生氮化反应，该方法简单，是合成α氮化硅粉体的最有效的、并且是相对简单方法，是工业中普遍应用的方法。但是该方法有其明显的缺点，硅粉在高温反应中可能融化，致使反应气氛扩散困难，其次随着反应的进行，包覆硅粉的氮化硅层会阻止内部硅粉的进一步氮化，另外，整个反应过程需要两次氮化，这个反应周期需要数天，该过程中自始至终须严格控制反应温度、氮气分压和气体流量来保证生成α相氮化硅需要的热环境，导致了该方法需要较大的能源消耗，合成的粉体粒度分布不均匀，杂质含量较高，无法满足作为石英坩埚涂层高性能α相氮化硅的原料要求。二氧化硅碳热还原法是将二氧化硅粉末与碳粉充分混合，在流动的氮气气氛下利用碳还原二氧化娃SiO2,被还原出的娃Si和氧化娃SiO与氮气进一步反应生成氮化娃 Si3N4，该法具有设备简单、原料价格低，生成的氮化硅粉末具有高α相，残留的碳C可以经2/6页600°C煅烧除去，氮化硅粉末无需球磨等特点。但是该方法需要加入过量的碳以确保二氧化硅SiO2的完全反应，中间过程所产生的氧化硅SiO容易造成原料的损失，同时在SiO2-C-N2 反应体系在低温时反应速度慢；而在高温时，可能导致生成碳化硅，直接影响到氮化硅的产率和纯度。化学气相合成法是含娃的化合物，如SiH4、SiCl4和氮气(氨气)的原料在反应器中发生界面反应生成Si (NH2)2，然后水洗除去NH4Cl后对该产物加热到1200°C生成无定形相氮化硅，再加热到1500°C以上生成α氮化硅粉体，该法制备的氮化硅粉体具有高α相纯度、烧结活性好的特点，日本的UBE(宇部多光公司)公司采用该法合成的氮化硅粉体一直占据高端氮化硅粉体市场，但该粉体具有原料昂贵、设备复杂、能耗较大的缺点。等离子体法是使用直流电弧等离子发生器或高频等离子发生器产生等离子体，将硅粉或气相硅源输送到等离子火焰区内，在温度高达I万多度的高温区内，粉末立即融化挥发，与氮迅速化合而成为氮化硅Si3N4粉末的方法。在等离子发生器中几乎所有的硅颗粒都处于高能量的状态，以很高的速度与氮气进行反应，所以该方法能有效地缩短反应时间，所合成的氮化硅Si3N4粉末多为非晶相，含有较高的氧，具有较高的化学活性和良好的烧结活性，因此需要在制备和储存过程中采取一定的防护措施，此法的缺点是能耗高，设备复杂,生产成本昂贵。自蔓燃高温合成技术(Self-propagation High-temperature Synthesis,缩写 SHS),也称燃烧合成技术(Combustion Synthesis,缩写CS),是利用反应物之间反应放热和自传导方式来合成材料的一种方式。当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，整个过程几乎不需要外界提供任何能源并且反应时间较快，是一种倍受关注的合成粉料的方法，具有工艺简单，能耗低，产品纯度高，投资少的特点。用自蔓燃高温合成氮化硅粉体纯度高，填充性好，性能稳定，成本低廉。在采用自蔓燃合成方法制备氮化硅粉体方面，已有大量的专利和研究论文报道， 这些结果各有优缺点。如Merzhanov等专利技术的“一种制备高α相氮化娃的方法”(专利 US5032370)、“自蔓燃制备氮化硅”(专利RU2257338)和“自蔓燃方法提高氮化硅粉体α 相技术”(专利RU2149824)需要的氮气压力较高(6 30MPa)，对设备要求苛刻，不利于大规模生产，同时采用的大量的含氯Cl、氟F的氨盐，反应后会产生大量的氯化氢HCl、氟化氢 HF气体，对设备的腐蚀严重，同时对操作人员带来了较大的身体伤害；中国科学院理化技术研究所的林志明等人专利技术的“控温活化自蔓延燃烧合成α相氮化硅粉体的方法”(专利 CN1673070A)也存在同样的问题；清华大学陈克新等人专利技术的“一种低压燃烧合成高α相氮化硅粉体的方法”(专利CN1362358A)采用的硅粉的悬浮氮化技术，主要分以下几个步骤完成1.对硅粉进行酸洗和超产预处理，2.加入活性剂、稀释剂和添加剂，3.将混合好的原料球磨15 30小时，3.球磨后的原料在50 70°C烘干，放入反应器中，抽真空后从粉料底部吹入O. I IMPa的氮气，同时诱发原料燃烧。该方法虽然可以降低氮气的压力，但整个工序繁多且耗时，生产周期长，容易引入其他杂质，能耗相对较大，带动了整个生产成本的提高；北京科技大学的葛昌纯等人的“用燃烧合成高α相超细氮化硅粉体及氮化硅晶须的方法”(专利CN1433959A)，采用添加氟化钙CaF2,导致了合成后粉体的钙Ca含量增加，影响粉体的使用性能。北京科技大学的葛昌纯等人的“一种层状布料燃烧合成均质氮化硅粉体的方法”(专利CN179995A)，原料研磨混合和干燥步骤耗时繁琐，层状布料耗时，不利于大规模的生产；中国科学院理化技术研究所的杨筠等人的“控温燃烧合成α相氮化硅粉体的方法”(专利CN1696076A)，反应后的尾气中存在氯化氢HCl，仍未能较好地解决对操作人员的安全生产问题；以上专利合成的氮化硅粉体形貌均为纤维或针状等不规则形貌，并且侧重于提高燃烧合成产物中α相氮化硅含量，对纯度未充分考虑，没有考虑到在太阳能应用领域应用时粉体的不规则形貌容易造成铸锭涂层不牢固、脱落等现象，容易造成铸锭时漏埚等现象。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李金富，陈晓光，郭大为，孙洪亮，
申请(专利权)人：烟台同立高科工贸有限公司，
类型：发明
国别省市：