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（長沙隆泰微波熱工有限公司，長沙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對氮化物相的影響。結果表明：微波合成氮化硅在1380℃反應得到的相組成為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。對硅粉直接氮化的熱力學特征進行分析顯示提高溫度并不利于Si3N4粉體的合成。關鍵詞：關鍵詞：微波，氮化硅，βSi3N4，熱力學分析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，在機械、化工、電子、軍工等行業(yè)有廣泛地應用[1]。作為燒結的原料的Si3N4粉有很多制備方法常見的有直接氮化法[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物等諸多優(yōu)點，但是國、內(nèi)外[9－1

6、1]研究主要集中在利用微波進行氮化硅陶瓷的燒結，而對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，并對硅粉直接氮化的熱力學行為以及在微波條件下硅粉氮化的特點進行了研究，對進一步研究硅粉微波氮化有一定實踐意義。通過查閱數(shù)據(jù)手冊[12]可計算得出各溫度下反應式（1）的標準反應生成焓和平衡常數(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，說明反應為放熱反應，

7、且△rHTθ隨溫度的升高而增大，說明反應驅動力較大，但是反應過程中強烈的放熱，容易導致粉料局部溫度過高，而超過硅的熔點（1700K）此時硅粉熔化結團，N2不容易進入硅粉的內(nèi)部，從熱造成反應不完全。另外，局部溫度過高容易造成生成物燒結成塊，晶粒局部異常長大，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，說明從700K開始反應趨勢越來越大，反應越來越強烈。從圖1，還可以看出，隨著溫度的升高反應平衡常數(shù)lnK

8、p迅速降低后趨于平緩，在1200K～1650KlnKp相差不大，說明提高溫度并不利于Si3N4粉體的合成轉化率。4實驗結果與討論實驗結果與討論4.14.1氮化溫度對氮化溫度對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