氮化硅粉體的微波合成

1、通訊作者：楊軍，碩士電話：13975867552Email:alexyangcn@氮化硅粉體的微波合成楊軍夏廣斌彭虎李志杰（長(zhǎng)沙隆泰微波熱工有限公司，長(zhǎng)沙410013）摘要摘要：本文以硅粉為原料，利用微波加熱的方法制備以βSi3N4為主體氮化硅粉體，研究了氮化溫度、添加稀釋劑和添加NH4HCO3對(duì)氮化物相的影響。結(jié)果表明：微波合成氮化硅在1380℃反應(yīng)得到的相組成為αSi3N4和βSi3N4，其中以形貌呈柱狀或棒狀βSi3N4為主體。討

2、論了微波合成氮化硅能夠在較低溫度下生成βSi3N4的原因。添加稀釋劑和NH4HCO3有助于硅粉的完全氮化。對(duì)硅粉直接氮化的熱力學(xué)特征進(jìn)行分析顯示提高溫度并不利于Si3N4粉體的合成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：微波，氮化硅，βSi3N4，熱力學(xué)分析MicrowaveSynthesisofSi3N4PowderYangJun，XIAGuangbin，PENGHu，LIZhijie(ChangshaSYNOTHERMCo.LtdChangsha4100

3、13)ABSTRACT：Si3N4powerwaspreparedfromsilicapowderusingmicrowaveirradiationasenergysource.TheeffectoftemperaturediluentscontentNH4HCO3werestudiedonproductphases.ThesynthesizedSi3N4powderswereamixtureofαSi3N4maincolumnarβS

4、i3N4.CompleteNitridizationofsilicawasachievedthroughtheadditionofdiluentsNH4HCO3.HighertemperaturesarenotusefulduringsynthesisofSi3N4power.Keywds：microwave，siliconnitride，βSi3N4，thermodynamicsanalysis1前言前言氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、

5、高電阻率、耐腐蝕、耐氧化以及良好的熱沖擊性能，在機(jī)械、化工、電子、軍工等行業(yè)有廣泛地應(yīng)用[1]。作為燒結(jié)的原料的Si3N4粉有很多制備方法常見(jiàn)的有直接氮化法[24]、碳熱還原法[5]和自蔓延法[6－8]。碳熱還原法合成的粉體中雜質(zhì)含量偏高，自蔓延法合成的粉體需要高溫高氮壓，同時(shí)難以控制，而直接氮化法成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。微波加熱是一種高效的材料制備方式，具有選擇性自身加熱、快速升溫、溫度均勻和活化反應(yīng)物等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是國(guó)、內(nèi)外[9－1

6、1]研究主要集中在利用微波進(jìn)行氮化硅陶瓷的燒結(jié)，而對(duì)微波合成氮化硅粉體的研究則較少。本文以Si粉作為原料，采用微波加熱的方法直接氮化生成氮化硅粉體，并對(duì)硅粉直接氮化的熱力學(xué)行為以及在微波條件下硅粉氮化的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，對(duì)進(jìn)一步研究硅粉微波氮化有一定實(shí)踐意義。通過(guò)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)[12]可計(jì)算得出各溫度下反應(yīng)式（1）的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)生成焓和平衡常數(shù)，如圖1所示。從圖1中，可以看出，在298～1650K溫度范圍內(nèi)，△rHTθ＜0，說(shuō)明反應(yīng)為放熱反應(yīng)，

7、且△rHTθ隨溫度的升高而增大，說(shuō)明反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力較大，但是反應(yīng)過(guò)程中強(qiáng)烈的放熱，容易導(dǎo)致粉料局部溫度過(guò)高，而超過(guò)硅的熔點(diǎn)（1700K）此時(shí)硅粉熔化結(jié)團(tuán)，N2不容易進(jìn)入硅粉的內(nèi)部，從熱造成反應(yīng)不完全。另外，局部溫度過(guò)高容易造成生成物燒結(jié)成塊，晶粒局部異常長(zhǎng)大，晶粒尺寸不均勻。另外，從圖1中可以看出，△rHTθ－T曲線中在700K出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明從700K開(kāi)始反應(yīng)趨勢(shì)越來(lái)越大，反應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)烈。從圖1，還可以看出，隨著溫度的升高反應(yīng)平衡常數(shù)lnK

8、p迅速降低后趨于平緩，在1200K～1650KlnKp相差不大，說(shuō)明提高溫度并不利于Si3N4粉體的合成轉(zhuǎn)化率。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論4.14.1氮化溫度對(duì)氮化溫度對(duì)氮化硅氮化硅物相組成的影響物相組成的影響相同的粉料在1250℃、1350℃、1380℃保溫120min后的Xray的衍射圖譜如圖2所示。從中可知1250℃氮化產(chǎn)物中出現(xiàn)了αSi3N4和βSi3N4同時(shí)還有少量游離硅αSi3N4所占百分比較大；1350℃的氮化產(chǎn)物中游

9、離硅和αSi3N4減少而βSi3N4逐漸增多；而在1380℃下氮化產(chǎn)物中基本看不游離硅，αSi3N4的百分比進(jìn)一步減少，產(chǎn)物絕大部分為βSi3N4。0102030405060708090▲●●●●●●●●●●●■●●●●●●●●●●▲▲▲■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■βSi3N4●αSi3N4▲Si2θ(o)●(a)(b)(c)圖2不同溫度的下的氮化硅X射線衍射譜Fig.2XRDpatternsofsiliconnitr