动态法制备高纯超细氮化硅粉的反应参数优化研究

前言：氮化硅（Si3N4）作为一种常见的化学高温材料，具有出色的物理和化学性质，因此也可以在陶瓷结构中可以作为关键材料。并且，由于氮化硅具有密度和热膨胀系数小、硬度大、弹性模量高等特点，在多个领域开展中都发挥着重要作用。在长期的研究表明下，人们发现它还具备良好的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性，耐腐蚀性、抗氧化性以及表面摩擦系数小的特性。凭借着这些独特而全面的性能，使得氮化硅在冶金、化工、机械、航空航天等多个领域都占据重要的一席之地。

一、氮化硅粉概述

氮化硅最为一种作为一种关键的陶瓷结构材料，本质是由硅和氮原子构成。它的特点我们也有所了解，作为高温材料，在温度较高的情况下仍可以保持高硬度，高强度并且耐腐蚀。除此以外，还具有良好的绝缘性能。凭借强大的独特性能优势，氮化硅在半导体、热力学、冶金工业，机械等领域都具有广泛的发展潜力。市面上制成氮化硅的方法有很多，其中硅粉氮化法是是一种常见的的氮化硅制备方法。接下来主要对硅粉氮化法进行详细介绍。

硅粉氮化法的制备过程是以硅粉为原料，在高温中布满流动氮气的环境下进行硅粉的氮化反应生成氮化硅的一种制备方法。之所以硅粉氮化法在目 比较常见很大的一 部分是因为硅粉氮化法具有许多优点性能，比如制作成本较低，反应条件易得，反应条件相较于其他类型更加温和，但由于制作的反应机理目前尚未明确，并且性能不稳定，制作的氮化硅数量也比较少，所以还未能成为最好的制备方法。

二、动态法制备高纯超细氮化硅粉的策略

（一）硅粉直接氮化法

硅粉直接氮化法是基于在硅粉的纯度较高时，并且把硅粉置于严格规定的气氛中氮化处理，从而进一步制备氮化硅微粉的方案及过程。此制备方法本身兼备了工艺流程效率高、化学反应条件温和的这两种有机的条件特点。如此便成为了众多制作方法中制备氮化硅微粉的高效率路径之一。硅粉直接氮化法从化学反应的过程中产物最终转化为 Si3N4 微细粉，这一系列的工艺步骤并不复杂，其需要的反应物材料成本也相对经济。但是除此优点之外，化学合成的这一种方法没有被有效解决的问题是反应的时间较长，或者是需要一个上千度的化学环境反应温度从而限制了一定制作的绝对速度。另外一个方面就是，由于这一制作方法所需要的 Si3N4 粒径在自然情况下范围比较大，往往需要为了符合最终的质量要求，必须要更加精进粉碎、磨细和纯化等一系列相关的工艺。

（二） SiO2 还原氮化法

把呈现细粉状的SiO2 和碳粉堆放在一起并且加以混合，在反应物混合充分后制造反应温度这一条件，第一部分的生成物即SiO。得到第一步的反应物SiO 后，加入氮气，进一步让其和氮气发生较高速率的氮化反应，最终得到块状的Si3N4 即完成整个反应方法。这 系列的化学反应式，从结构和时间顺序上分为：①SiO2 还原氮化法——利用SiO2 与 C（碳粉）充分反应 完成热还原反应。最终是通过氮化反应进一步生成适量的氮化硅。 ② 经过第一步的反应生成相对疏松的粉末状 物。然而，对硅粉氮化产物的粉碎处理工作是不必要的，正是因为这一点，整体上避免了杂质污染等其他化学反应之外的问题。

（三） 液相法

通常意义上的液相法包括以下化学反应因素：首先，液相法的合理使用是有效制备纯硅亚胺的重中之重。仅仅需要在常温条件下，实验员或者操纵机器控制 SiCI4 与 NH3 的份量，待该化学反应生成适量的高纯度氮化硅粉末。不仅仅具备了反应条件温和的条件之一 ，另一方面可以干预控制两者的反应速度从而达到高效去除副产物的制作目的，最终得到质量较高的的化学产物即Si3N4 粉末。

（四）气相反应法

1.高温气相反应法

迄今为止，CVD 反应法一般还是停滞在理论以及初步实验室的数据研究统计阶段。实际意义上是并没有直接实现进一步大量的工业化生产。这一反应方法是利用SiCI4 或SiH4 在高温的反应环境下进一步与高纯度的氨气控制反应，从而获得定量且高纯的氮化硅纳米粉。但难以避免的是含量低、速度慢的过程现象，从而导致最终生产率低下等生产性问题，不足以作为目前发展阶段理想化的制备技术。

2.激光气相反应法

LICVD 法与高温气相反应法反应的条件有着明显的区别，即利用CO2 激光器作为反应条件催化，从而激发和高效推动NH3 和SiH4 气体发生化学反应。通常情况下，SiH4 在CO2 激光束作用下会发生分解现象，这一反应过程释放的能量可以让整个反应升高到一个较高的反应温度，从而提高反应速率。污染小且可控性比较全面，并且可以获得较高纯度的氮化硅微粉。通过仪器观察分析，其反应得到的微观形貌大致上呈现一定的球状，其粒度分布范围的特点是宽度很窄，外形是超细并且没有固定形状，相应的最终的含氧相关物也非常低。

3.等离子体气相反应法

PCVD 法利用等离子体去充分激发反应气体，在超高的反应温度下制备更加精细的氮化硅微粉。这一利用等离子体的方法本身具备的优良特点是升温速度快、冷却速率强，从而整体提高了该反应速率。另一方面，由于PCVD 法的反应器特点是管式结构，其最终的反应物产量更大。结合等离子体的类型特点，PCVD 法可分三种方法，分别是直流电弧等离子体法、高频等离子体法和复合等离子体法。以上方法均可制备出粒径约10nm 的无定形氮化硅微粉和约 50nm 的高纯度、无团聚的α-Si3N4 微粉。此外，这一反应方法还能够准确地制备相应复合材料所需的复相粉体，如 Si3N4/SiC。由于研究较为成熟且操作方法容易控制，可以最终达到一定规模化的工业生产。

三、动态法制备高纯超细氮化硅粉的反应参数优（一）合理选择合适的催化剂

在制备过程中，催化剂的作用不言而喻。催化剂对于氮化硅能否成功制成，制备后又是否具有稳定性和安全性具有关键的作用。催化剂如钨、钼、铬等，具有稳定性和高活性，保障形成特定氮化硅相得形成，并且使其具有稳定性。

（二）科学调整原料配比

制备氮化硅时，选择高纯度的硅粉和氮气作为原料，并根据所需的性能调整硅粉和氮气的配比。硅粉与氮气的摩尔比需控制在3：4，以确保生成氮化硅的化学计量比。

（三）控制反应条件

在制备过程中，反应温度需控制在10001400 摄氏度之间，反应压力在0.10.3MPa 之间，反应时间在 13 小时。这些条件的严格控制有助于形成稳定的氮化硅相。

结语

总之，动态制备法作为一种有效的制备高纯超细氮化硅粉的方法，在制备方法中具有很大的优势和广阔的发展前景。其制作的成本较低，反应过程也较温和， 制备的材料 获取。 虽有性能不稳定和制备氮化硅数量较少的缺陷，但随着科技的不断发展，技术的不断先进， 久的未来硅粉氮化法将在材料制备领域发挥更大的作用。使得氮化硅为冶金、化工、机械、航空航天、材料制备等多个领域发挥更大的作用。

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