本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法及β相氮化硅。

背景技術(shù)：

氮化硅突出的優(yōu)點包括機械強度高、熱穩(wěn)定性好、化學性能穩(wěn)定，這些優(yōu)點使得它廣泛的應用在冶金、機械、能源、化工、半導體、航空航天、汽車工業(yè)、核動力工程和醫(yī)學工程領(lǐng)域，氮化硅完全滿足現(xiàn)代技術(shù)經(jīng)常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質(zhì)和高磨損的工作環(huán)境，且工作壽命長，技術(shù)性能穩(wěn)定，可以與高溫合金媲美，應用效果令人滿意。隨著氮化硅材料的應用范圍不斷擴大，高性能、低成本的氮化硅粉體的制備越來越引起人們的重視。

然而想要得到性能優(yōu)良的氮化硅陶瓷材料，首先必須要制備出高品質(zhì)的氮化硅粉體。目前氮化硅粉體的主要制備方法有直接氮化法、碳碳熱還原法、氨解法、等離子氣相合成法pcvd、熱分解法，不同方法制備的氮化硅粉體產(chǎn)品品質(zhì)存在較大的差異。同時粉體中晶相含量也各不相同。

相對于氮化硅的各種生產(chǎn)方法,直接氮化法生產(chǎn)工藝流程簡單、生產(chǎn)成本較低,生產(chǎn)氮化硅產(chǎn)品的品質(zhì)能夠滿足廣泛工程應用的要求,同時直接氮化硅粉過程沒有副產(chǎn)品。但是常規(guī)直接氮化法生產(chǎn)工藝存在生產(chǎn)周期長、勞動強度大、生產(chǎn)效率低、間歇性生產(chǎn)存在污染環(huán)境及職業(yè)健康侵害，產(chǎn)品品質(zhì)均一性較差等一系列問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法及β相氮化硅，通過多級串聯(lián)的流化床裝置從而延長了原料硅和氮氣在其內(nèi)的停留時間，從而提高了原料硅和氮氣的接觸時間，有利于延長反應時間提高反應效率。

解決本發(fā)明技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

將原料硅和氮氣通入到至少兩級串聯(lián)的流化床裝置內(nèi)進行反應，反應溫度為1281～1600℃，得到β相氮化硅。

優(yōu)選的是，所述流化床裝置為2～10級串聯(lián)。

優(yōu)選的是，所述流化床裝置為3級串聯(lián)。

優(yōu)選的是，所述流化床裝置內(nèi)的壓力為0～100kpag。

優(yōu)選的是，在串聯(lián)的每級流化床裝置內(nèi)的所述反應時間為60～600秒。

優(yōu)選的是，所述硅的粒徑為1～100μm。

優(yōu)選的是，所述反應時在所述流化床裝置內(nèi)還通入能夠分離或疏散硅固體相的輔料。

優(yōu)選的是，所述輔料為β相氮化硅。該輔料具有分離或疏散硅固體相的作用，避免了副產(chǎn)物的生成，從而進一步有利于β相氮化硅的產(chǎn)率的提高。

更優(yōu)選的是，所述輔料的粒徑大于所述原料硅的粒徑。

優(yōu)選的是，所述硅與所述輔料的質(zhì)量比為(10:1)～(1:10)。

優(yōu)選的是，所述至少兩級串聯(lián)的流化床裝置由至少兩個獨立的流化床串聯(lián)而成和/或所述流化床裝置的爐體內(nèi)設置有至少一個導流機構(gòu)，所述導流機構(gòu)用于將所述爐體分隔為互相連通的至少兩個子爐體。

本發(fā)明提供一種β相氮化硅，其由上述的方法生產(chǎn)。

本發(fā)明中將原料硅和氮氣通入到至少兩級串聯(lián)的流化床裝置內(nèi)在1281～1600℃下反應，通過多級串聯(lián)的流化床裝置從而延長了原料硅和氮氣在其內(nèi)的停留時間，從而提高了原料硅和氮氣的接 觸時間，控制硅與氮氣的反應速率，有利于延長反應時間提高反應效率，縮短生產(chǎn)周期，進一步提高了生成的β相氮化硅的產(chǎn)率和均一性。本發(fā)明的制備方法簡單、性能可控，且生產(chǎn)周期短，極大地降低了生產(chǎn)成本，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例2中的生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例3中的生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-破碎篩分裝置；11-對輥磨；12-料倉；13-篩分機；14-上料機；2-加工混料裝置；21-氣流粉碎機；22-輔料倉；3-供氣裝置；31-預熱器；32-進氣管；33-流量控制器；4-流化床裝置；401-流化床；402-爐體；403-導流機構(gòu)；404-測溫元件；405-第一子爐體；406-第二子爐體；407-第一入口；408-第二入口；409-出口；410-加熱板；411-導流板；5-冷卻裝置；51-冷卻管；52-進料管；6-分離裝置；61-袋濾分離器；62-引風機。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

實施例1

本實施例提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

將原料硅和氮氣通入到至少兩級串聯(lián)的流化床裝置內(nèi)進行反應，反應溫度為1281～1600℃，得到β相氮化硅。

本實施例中將原料硅和氮氣通入到至少兩級串聯(lián)的流化床裝置內(nèi)在1281～1600℃下反應，通過多級串聯(lián)的流化床裝置從而延長了原料硅和氮氣在其內(nèi)的停留時間，從而提高了原料硅和氮氣的接觸時間，控制硅與氮氣的反應速率，有利于延長反應時間提高 反應效率，縮短生產(chǎn)周期，進一步提高了生成的β相氮化硅的產(chǎn)率和均一性。

實施例2

如圖1所示，本實施例提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

將粒徑為1μm的硅粉、氮氣、粒徑為20μm的輔料氮化硅通入到二級串聯(lián)的流化床裝置4內(nèi)進行反應，其中，所述硅粉與所述輔料的質(zhì)量比為1：10，流化床裝置4內(nèi)的壓力為50kpag，反應溫度為1400℃，在串聯(lián)的每級流化床裝置4內(nèi)的反應時間為600秒，得到β相氮化硅。所述輔料能夠分離或疏散硅固體相。所述輔料氮化硅具有分離或疏散硅固體相的作用，避免了副產(chǎn)物的生成，從而進一步有利于β相氮化硅的產(chǎn)率的提高。

本實施例中將原料硅和氮氣通入到至少兩級串聯(lián)的流化床裝置4內(nèi)在1400℃下反應，通過多級串聯(lián)的流化床裝置4從而延長了原料硅和氮氣在其內(nèi)的停留時間，從而提高了原料硅和氮氣的接觸時間，控制硅與氮氣的反應速率，有利于延長反應時間提高反應效率，縮短生產(chǎn)周期，進一步提高了生成的β相氮化硅的產(chǎn)率和均一性。

優(yōu)選的是，所述至少兩級串聯(lián)的流化床裝置4由至少兩個獨立的流化床401串聯(lián)而成和/或所述流化床裝置4的爐體402內(nèi)設置有至少一個導流機構(gòu)403，所述導流機構(gòu)403用于將所述爐體402分隔為互相連通的至少兩個子爐體。

具體的，生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)包括：

破碎篩分裝置1，用于對硅粉進行破碎篩分；

加工混料裝置2，用于進行混料，加工混料裝置2包括用于進行氣流破碎的氣流粉碎機21和設置于所述氣流粉碎機21上的輔料倉22，氣流粉碎機21與所述破碎篩分裝置1連接，輔料倉22用于將輔料加入到氣流粉碎機21中，使得硅粉與輔料混合；優(yōu)選的是，輔料倉22設置于接近于氣流粉碎機21的出口處，且靠 近流化床裝置4，這樣可使得進入由輔料倉22進入到氣流粉碎機21內(nèi)的輔料幾乎不經(jīng)過氣流粉碎機21，但是輔料卻可以很好的與氣流粉碎機21內(nèi)的硅粉進行混合。在氣流粉碎機內(nèi)高速碰撞，有利于提高混合的均勻性，進而提高了后續(xù)反應的均勻性。

供氣裝置3，與流化床裝置4連接，供氣裝置3用于向流化床裝置4內(nèi)通入氮氣；

流化床裝置4，與氣流粉碎機21連接，流化床裝置4用于進行反應。具體的，可將硅粉、氮氣、輔料通入到流化床裝置4內(nèi)，硅粉與氮氣反應生成氮化硅，輔料用于分離或疏散硅固體相，防止硅粉與氮氣反應時，硅粉結(jié)團。

冷卻裝置5，與供氣裝置3連接，冷卻裝置5用于冷卻從流化床裝置4出來的混合物；

分離裝置6，與冷卻裝置5連接，所述分離裝置6用于分離混合物，將混合物中的氮化硅與氮氣分離。

經(jīng)破碎篩分裝置1破碎合格的硅粉顆粒與由輔料倉22添加的輔料在加工混料裝置2內(nèi)混合均勻后被送入流化床裝置4，與被供氣裝置3加熱的原料氣，在流化床裝置4內(nèi)進行反應，反應后的氣-固相混合物在冷卻裝置5內(nèi)進行降溫冷卻，最后經(jīng)過分離裝置6進行分離后包裝。

本實施例中所用的硅粉是指多晶硅棒在破碎過程所產(chǎn)生粒徑0.1-10mm的硅粉顆粒，以及多晶硅在氣相沉積反應過程中產(chǎn)生的超細納米級無定型硅粉。

所述的破碎篩分裝置1包括用于進行破碎的對輥磨11、用于向?qū)伳?1內(nèi)加料的料倉12、與對輥磨11連接的篩分機13，分別連接篩分機13與料倉12的上料機14。具體的，所述的破碎篩分裝置1將粒徑0.1-10mm的硅粉顆粒從料倉12送至對輥磨11，對輥磨11通過調(diào)整對輥磨11磨輪間隙來控制破碎的粒徑至0.05-5mm之間。破碎后的硅粉進入篩分機13進行分離，未被破碎至0.05-5mm的硅粉通過真空的上料機14重新反送至料倉12，進行二次破碎，合格的硅粉則進入加工混料裝置2。破碎篩分裝置 1與物料接觸部分的內(nèi)襯的材質(zhì)包括聚氨酯，耐納特，氧化鋯，瓷剛玉，氮化硅中的一種或幾種。破碎篩分裝置1的上料機14具有自動上料功能，生產(chǎn)過程可實現(xiàn)連續(xù)自動化，全程密閉，杜絕粉塵外泄污染。

加工混料裝置2與物料接觸部分的內(nèi)襯的材質(zhì)包括聚氨酯，耐納特，氧化鋯，瓷剛玉，氮化硅中的一種或幾種。所述加工混料裝置2是將常規(guī)對輥磨11無法進一步細化的硅粉顆粒通過高速碰撞的形式再次進行細化，同時在氣流狀態(tài)下將硅粉與輔料進行均勻混合。經(jīng)過破碎篩分裝置1所述的破碎后粒徑合格的硅粉進入氣流粉碎機21與從輔料倉22進入的輔料進行混合。所述輔料是在硅粉進入氣流粉碎機21的同時將輔料按比例添加，氣流粉碎機21設置有第一進料口和第二進料口，第一進料口用于添加硅粉，第二進料口用于添加輔料，輔料倉22的出口與第二進料口連接。硅粉在高速氣流作用下相互碰撞再次破碎的粒徑控制在1μm，使得達標的粉體原材料通過輸送管輸送至流化床裝置4。

所述的流化床裝置4包括爐體402、設置于爐體402外層的保溫隔熱體、導流機構(gòu)403及測溫元件404，導流機構(gòu)403將爐體402分隔為互相連通的至少兩個子爐體，即第一子爐體405和第二子爐體406。流化床裝置4的爐體402上設置有：用于通入固體物料的第一入口407；用于通入氣體的第二入口408；出口409；加熱板410，該加熱板410為氣相均分加熱板410，氣相均分加熱板410為多孔狀加熱板410。具體的，本實施例中的導流機構(gòu)403進入流化床裝置4的硅粉在氮氣的帶動下呈流化狀態(tài)在爐體402內(nèi)運動，通過調(diào)整各部位的氣流量大小，使得流化狀的粉粒從第一子爐體405經(jīng)導流機構(gòu)403后緩慢向第二子爐體406移動，在移動的過程中硅粉粒逐漸轉(zhuǎn)化為β相氮化硅粉粒。

流化床裝置4的爐體402材質(zhì)包括cr23ni13、cr17ni12mo2、cr19ni10、cr19mo2nbti中的一種或幾種。

所述保溫隔熱體材質(zhì)包括高溫隔熱碳氈、莫來石、陶瓷纖維氈、硅鈣板中的一種或幾種。

所述氣相均分加熱板410為多孔狀加熱板410，由爐體402的入口進入的物料經(jīng)氣相均分加熱板410的均分孔進入爐體402，氣相均分加熱板410為強度高、耐高溫及導熱性能好的加工件，其材質(zhì)包括氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、石墨塊中的一種或幾種。

優(yōu)選的是，所述爐體402由導流機構(gòu)403分隔為互相連通的2～10個子爐體，硅粉在流動的過程中能夠充分反應，完全轉(zhuǎn)化為β相氮化硅粉。

優(yōu)選的是，所述導流機構(gòu)403包括至少一個導流板411，所述導流板411設置于爐體402的筒狀側(cè)壁上，所述導流板411交錯設置，從而形成曲線的流通通道，使得物料在爐體402內(nèi)流動形成阻力，從而減少流動速度，提高物料在爐體402內(nèi)的停留時間。

如圖1所示，具體的，生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)包括流化床裝置4，該流化床裝置4包括一個流化床401，流化床401的爐體402內(nèi)設置有一個導流機構(gòu)403，該導流機構(gòu)403將爐體402分隔為互相連通的兩個子爐體，由第一入口407到流化床401的出口409依次排布為第一子爐體405、第二子爐體406，該流化床裝置4為二級串聯(lián)的整體裝置，其中，導流機構(gòu)403包括兩個導流板411，導流板411設置于爐體402筒狀側(cè)壁上，且在爐體402內(nèi)垂直方向上下交替設置，從而形成曲線的流通通道，同一個導流機構(gòu)403的相鄰的兩個導流板411之間的水平間距為爐體402筒狀內(nèi)徑長度的1/5～1/2，導流板411的一端設置于爐體402內(nèi)壁上，導流板411的另外一端與爐體402內(nèi)壁的中空距離為爐體402筒狀內(nèi)徑長度的1/5～1/2。物料在這兩個子爐體內(nèi)分別建立床層，在氮氣的作用下形成流化態(tài)，并進行反應。導流機構(gòu)403的作用實現(xiàn)串級的流化床裝置4，改變物料的流向，使得物料分別在不同的子爐體建立床層，通過兩級串聯(lián)的流化床裝置4從而延長了原料硅和氮氣在其內(nèi)的停留時間，從而提高了原料硅和氮氣的接觸時間，有利于延長反應時間提高反應效率，進一步提高了生成的β相氮化硅的產(chǎn)率。硅粉、氮氣、添加劑進入第一子爐體405建立床層，建 立流化態(tài)，硅粉與氮氣反應生成氮化硅，得到氣固相流體，通過導流機構(gòu)403后流體速度下降，反應后的氮化硅及未反應的硅粉混合物落入后續(xù)的第二子爐體406，并建立床層，然后與通入的氮氣建立流化態(tài)，繼續(xù)反應，直到反應結(jié)束，成品排出。

所述的供氣裝置3包括預熱器31、與流化床裝置4連接的進氣管32，以及設置在進氣管32上的流量控制器33，預熱器31用于對通入進氣管32的氮氣進行預熱，流量控制器33采用單回路控制流量計進行氮氣流量的調(diào)節(jié)。當流化床裝置4的爐體402內(nèi)設置有至少一個導流機構(gòu)403，所述導流機構(gòu)403用于將所述爐體402分隔為互相連通的至少兩個子爐體，則沿著接近于爐體402的入口到逐漸遠離爐體402的入口的方向排布的子爐體內(nèi)的氮氣流量呈梯度逐漸減少。具體的，爐體402內(nèi)的氮氣的總流量為1～50nm³/h，氮氣的氣流速度為0.1～3m/min。

所述供氣裝置3的進氣管32與流化床401相連接，進氣管32數(shù)量為2～20根，均勻分布在流化床401下部。

所述的供氣裝置3的預熱器31包括電加熱器、微波加熱器、等離子加熱器中的一種或幾種。

所述供氣裝置3將來自公輔工程的常溫氣體預熱至200℃～600℃，被加熱的氣體包括氮氣和/或不參與反應但起到穩(wěn)定反應速率的輔助氣，輔助氣包括氫氣、氬氣。

所述的冷卻裝置5包括用于通入冷媒進行冷卻的冷卻管51，用于通入物料的進料管52，冷卻管51與進料管52接觸傳熱。冷卻裝置5與物料接觸部分的內(nèi)襯的材質(zhì)包括聚氨酯、耐納特、氧化鋯、瓷剛玉、氮化硅中的一種或幾種。具體的，冷卻裝置5使用循環(huán)水對氣-固相的反應物進行冷卻，冷卻后的氣-固相的反應物溫度≤100℃，進入分離裝置6進行分離。

所述的分離裝置6包括袋濾分離器61和與其連接的引風機62，優(yōu)選的是所述引風機62為高壓引風機，分離裝置6與物料接觸部分的內(nèi)襯的材質(zhì)包括聚氨酯、耐納特、氧化鋯、瓷剛玉、氮化硅中的一種或幾種。

所述分離裝置6的作用是將未參與反應的氣體與反應生成的氮化硅、未反應的游離硅進行氣固相分離。

本實施例的制備方法簡單、性能可控、連續(xù)性生產(chǎn)、無粉體外泄，且生產(chǎn)周期短，極大地降低了生產(chǎn)成本，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

通過生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)收集到的超細氮化硅粉末，經(jīng)x射線衍射分析為：β相氮化硅占比可達92wt％以上，總金屬含量在50ppm以下，游離硅含量在0.2wt％以下。

實施例3

如圖2所示，本實施例提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

將粒徑為60μm的硅粉、氮氣、輔料氮化硅通入到三級串聯(lián)的流化床裝置4內(nèi)進行反應，其中，所述硅粉與所述輔料的質(zhì)量比為10：1，流化床裝置4內(nèi)的壓力為0kpag，反應溫度為1600℃，在串聯(lián)的每級流化床裝置4內(nèi)的反應時間為300秒，得到β相氮化硅。所述輔料能夠分離或疏散硅固體相。所述輔料氮化硅具有分離或疏散硅固體相的作用，避免了副產(chǎn)物的生成，從而進一步有利于β相氮化硅的產(chǎn)率的提高。

如圖2所示，本實施例的生產(chǎn)方法所用的生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)與實施例2中的系統(tǒng)的區(qū)別在于：本實施例中流化床裝置4，該流化床裝置4包括三個流化床401，三個流化床401串聯(lián)，即流化床裝置4為三級串聯(lián)。物料分別在三個流化床401內(nèi)依次建立床層，形成流化態(tài)進行反應，通過三級串聯(lián)的流化床裝置4從而延長了原料硅和氮氣在其內(nèi)的停留時間，從而提高了原料硅和氮氣的接觸時間，控制硅與氮氣的反應速率，有利于延長反應時間提高反應效率，縮短生產(chǎn)周期，進一步提高了生成的β相氮化硅的產(chǎn)率和均一性。

本實施例的制備方法簡單、性能可控、連續(xù)性生產(chǎn)、無粉體外泄，且生產(chǎn)周期短，極大地降低了生產(chǎn)成本，適合大規(guī)模工業(yè) 化生產(chǎn)。

通過生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)收集到的超細氮化硅粉末，經(jīng)x射線衍射分析為：β相氮化硅占比可達93wt％以上，總金屬含量在45ppm以下，游離硅含量在0.3wt％以下。

實施例4

本實施例提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

將粒徑為100μm的硅粉、氮氣、粒徑為200μm的輔料氮化硅通入到十級串聯(lián)的流化床裝置4內(nèi)進行反應，其中，所述硅粉與所述輔料的質(zhì)量比為5：1，流化床裝置4內(nèi)的壓力為100kpag，反應溫度為1281℃，在串聯(lián)的每級流化床裝置4內(nèi)的反應時間為60秒，得到β相氮化硅。所述輔料能夠分離或疏散硅固體相。所述輔料氮化硅具有分離或疏散硅固體相的作用，避免了副產(chǎn)物的生成，從而進一步有利于β相氮化硅的產(chǎn)率的提高。

通過生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)收集到的超細氮化硅粉末，經(jīng)x射線衍射分析為：β相氮化硅占比可達91wt％以上，總金屬含量在60ppm以下，游離硅含量在0.2wt％以下。

實施例5

本實施例提供一種β相氮化硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

將粒徑為80μm的硅粉、氮氣通入到五級串聯(lián)的流化床裝置4內(nèi)進行反應，其中，流化床裝置4內(nèi)的壓力為80kpag，反應溫度為1400℃，在串聯(lián)的每級流化床裝置4內(nèi)的反應時間為400秒，得到β相氮化硅。所述輔料能夠分離或疏散硅固體相。所述輔料氮化硅具有分離或疏散硅固體相的作用，避免了副產(chǎn)物的生成，從而進一步有利于β相氮化硅的產(chǎn)率的提高。

通過生產(chǎn)β相氮化硅的系統(tǒng)收集到的超細氮化硅粉末，經(jīng)x射線衍射分析為：β相氮化硅占比可達92wt％以上，總金屬含量在55ppm以下，游離硅含量在0.4wt％以下。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。