高纯超细氮化硅粉体的制备工艺的制作方法

本发明属于氮化物粉体，具体地说涉及高纯超细氮化硅粉体的制备工艺。

背景技术：

1、在氮化硅粉体批量化制造方面，国内外主要集中在硅粉氮化法、液相法、自蔓燃法三种方法，硅亚胺热解法技术难度大、成本高、稳定性控制难；自蔓燃高温合成法可控性差，α相含量低，烧结温度高，粉体活性差；硅粉直接氮化法氮化硅粉体需要二次破碎；国内氮化硅粉生产上大多采用硅粉氮化法，但是氮化硅粉体纯度差、自动化程度低和批次稳定性有待提升，如纯度方面，主要金属杂质如fe(催化剂)等高于500ppm，α相含量一般为90％左右，由于规模、设备等差距，国产氮化硅粉最大的问题是批次稳定性，氮化过程由人工控制，不同批次生产的氮化硅粉体可能差异极大，大大影响所制备的氮化硅陶瓷产品的可靠性。

技术实现思路

1、本发明设计了高纯超细氮化硅粉体的制备工艺，包括：以下步骤：s1，硅块坯体的制备：包括：s11，将硅粉先和稀释剂混合，得到粉体混合物；s12，将粉体混合物与粘结剂混合后，进行球形化处理，得到硅粉混合粒；s13，将硅粉混合粒压制成型，得到硅块坯体；

2、s2，氮化硅块的制备：包括：s21，将硅块坯体在抽真空条件下第一段烧结，再进行第二段烧结，通入氮氢氩混合气，氮氢氩混合气包括氮气、氢气和氩气，排空气体后得到氮化硅块；

3、s3，氮化硅粉体的制备：包括：s31，将氮化硅块干法破碎，细化工艺，得到高纯超细氮化硅粉体。

4、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用高纯硅粉作为原料，添加适量稀释剂氮化工艺，既提高了转化率和α相含量，又有效减少了金属杂质含量，同时还提高了氮化硅粉体纯度；

5、通过球形化处理得到球形粉末，然后利用了粘结剂的低温塑性使硅粉在模具中压制成型，极大降低了人工装炉成本，通过球形化处理，增加硅块内部颗粒与颗粒之间的孔隙率，增加氮气通道，同时避免聚热；通过合理烧结工艺避免出现硅溢的现象，影响氮化，同时避免α相向β相转化，保证硅块能够充分的氮化；

6、通过第一段烧结使硅块坯体中的有机物挥发，形成坯体内部形成气体通道，使氮化硅块初步成型，同时避免温度堆积不易扩散的问题；通过第二段烧结，慢升温保证避免出现硅溢的现象，另外避免α氮化硅向β氮化硅转向的现象，保证硅块能够充分的氮化，实现硅块内部各处温度均匀，从而控制氮化硅粉体α相含量达到95％，在不同氮化阶段对温度/温场、气体流量及压力进行精确控制，以便调整氮化工艺获得不同级别的氮化硅粉体，实现了氮化工艺的精确控制，保证了氮化硅块的批次稳定性，通过干法破碎、细化工艺相较于传统湿法破碎、细化工艺不仅具有工艺流程短，制造成本低，生产安全好，而且降低了氮化硅粉体的氧含量，满足了高端氮化硅产品的需求。

7、进一步的，所述s11中稀释剂为氮化硅粉稀释剂，硅粉与稀释剂的质量比为：80-90：10-20，硅粉的中位粒径为3～8μm，金属杂质含量＜0.1％，碳含量＜0.1％。

8、采用上述进一步技术方案的有益效果在于：采用高纯硅粉作为原料，添加适量稀释剂氮化工艺，既提高了转化率和α相含量，又有效减少了金属杂质含量。

9、进一步的，所述s12中粘结剂与粉体混合物的质量比为1-5：95-99。

10、进一步的，所述粘结剂包括pvb和peg，pvb和peg的质量比为1:1。

11、进一步的，所述球形处理过程还包括向粘结剂中加入乙醇，粘结剂与乙醇的质量比为5-15:85-95，得到的硅粉混合粒的中位粒径为500～1000μm。

12、进一步的，氮化硅粉体的α相含量＞93％，氮化硅粉体的中位粒径＜1μm。

13、采用上述进一步技术方案的有益效果在于：通过向粉体混合物中添加pvb和peg，使硅粉在模具中压制成型，极大降低了人工装炉成本，通过球形化处理，增加硅块坯体中颗粒与颗粒之间的孔隙率，给气体的通入留有通道，避免压的太致密，温度不容易扩散，氮化过程放热时颗粒与颗粒之间的温度堆积，导致硅溢出的问题；通过将粘结剂完全溶解在乙醇中，对粘结剂起到一定的分散作用，控制颗粒在烧结过程中自身的孔隙率，进一步增大了气体在氮化硅块中的流通性，避免温度在颗粒内部堆积的现象，使氮化硅块充分的氮化，从而提高了氮化硅粉体的α相含量。

14、进一步的，所述s12中压制成型的模具体积为190-210mm*90-110mm*40-60mm。

15、进一步的，所述模具的中心位置设置有n个圆柱体。

16、进一步的，所述s21中硅块坯体放置在石墨底板上在抽真空条件下烧结，硅块坯体在石墨底板上的排布长度为1300-1900mm，排布宽度为280-670mm，排布高度为150-1900mm，硅块长度方向为7-9块，宽度方向为3-6块，高度方向为4-10块。

17、采用上述进一步技术方案的有益效果在于：通过粉体制坯工艺大大省去人工成本，提高生产线自动化生产水平；通过模具的孔洞设计使各个坯体温度均匀，并且促进坯体间的气体流动等多方面作用，增加每炉次的氮化硅粉体批次稳定性。

18、进一步的，所述s21中第一段烧结过程包括在真空下预加热，预加热速率为30-40℃/h，预加热温度为60-100℃，从60-100℃升至500-550℃，升温速率10～30℃/h，在500-550℃保温3-5h后停止抽真空；

19、第二段烧结包括从500-550℃升到750-850℃，升温速率为45-55℃/h，在750-850℃通入氮气、氢气和氩气，氮气的流量为9-10l/min，氩气的流量为1.7-1.8l/min，氢气的流量为0.5-0.6l/min；

20、从750-850℃升到1150～1200℃，升温速率25-30℃/h；在1150～1200℃保温45-55h，氮气的流量为18-20l/min，氩气的流量为3.4-3.6l/min，氢气的流量为1-1.2l/min，排空5-10次，排空压力为30kpa以下，保温压力为50±2kpa；

21、从1150～1200℃升至1250～1280℃，升温速率15～20℃/h，氮气的流量为9-10l/min，氩气的流量为1.7-1.8l/min，氢气的流量为0.5-0.6l/min；在1250～1280℃保温20-25h，氮气的流量为18-20l/min，氩气的流量为3.4-3.6l/min，氢气的流量为1-1.2l/min，排空3～5次，排空至压力为30kpa以下，保温压力保持50±2kpa；

22、从1250～1280℃升至1300～1330℃，升温速率15～20℃/h，氮气的流量为9-10l/min，氩气的流量为1.7-1.8l/min，氢气的流量为0.5-0.6l/min；在1300～1330℃保温20-25h，氮气的流量为18-20l/min，氩气的流量为3.4-3.6l/min，氢气的流量为1-1.2l/min，排空3～5次，排空至压力为30kpa以下，保温压力为50±2kpa；

23、从1300～1330℃升至1350～1380℃，升温速率15～20℃/h，氮气的流量为9-10l/min，氩气的流量为1.7-1.8l/min，氢气的流量为0.5-0.6l/min；在1350～1380℃下保温8-12小时，氮气的流量为18-20l/min，氩气的流量为3.4-3.6l/min，氢气的流量为1-1.2l/min，排空3-5次，排空压力为30kpa以下，保温压力为50±2kpa；停止烧结后10～20小时至常温。

24、采用上述进一步技术方案的有益效果在于：通过第一段烧结使乙醇在预加热下提前挥发，使氮化硅颗粒内部形成一定的孔隙率，然后pvb和peg在合适的温度下挥发，使氮化硅颗粒与颗粒之间形成一定的空隙，避免硅块压的太致密，温度不容易扩散导致温度堆积；

25、通过第二段烧结阶梯式升温，达到烧结温度以后保证升温速率较慢，每段时间有一个恒温的段，保证在这个恒温段充分的氮化，实现氮化硅块内部各处温度均匀，避免温度在一个地方堆积，氮化一部分后才能再进行下一步氮化，避免出现硅溢的现象，同时避免α氮化硅向β氮化硅转向的现象；

26、氢气的加入消除硅粉氧化层阻碍氮化的因素，减低初始反应的温度，氩气的加入控制硅粉氮化速率，防止反应体系过热，使α相向β相转变。