氮化硅粉体的制备(贾雄飞、刘霞园)

流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备 这种方法的关键就是：硅烷与氨气的比值：
1:8 --1:12
气体流速与临界初始流态速度的范围：
1.5--8.0
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备
图是氮化硅纳米粉体的TEM照片, 从图中可以看出合成的氮化硅粉体呈规则的球 形, 直径大约为100纳米, 具有高度的单分散性
氮化硅粉体的制备
材料0704：刘霞园（0711040403） 贾雄飞（0711040423）
氮化硅粉体制备
氮化硅粉体制备方法
氮化硅粉体分析
传统与先进氮化硅粉体制备方法
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氮化硅粉体的制备方法
热分解法
碳热还原法
直接化合法
气相合成法
氮化硅粉体的制备方法
热分解法
碳热还原法
直接化合法
气相合成法
Si(NH2)4 在高温下 热分解生成 氮化硅粉末
在N2气条件下， 通过SiO2和C粉的
还原氮化生成 氮化硅粉末
利用N2和Si粉在 高温高压下合成 氮化硅粉末
SiCl4和NH3在 1000-1500温度范围 内通过气相反应 能生成颗粒直径 在0.1微米以下的微粉, 这些非晶态微分在 1400度结晶化为 氮化硅微粉
氮化硅粉体制备
传统的氮化硅制备方 法
碳热还原法
碳热还原氮化法优缺点： 具有生产成本低、生产规模大、产品质量较高等优点,是氮 化硅粉体生产中具有很大潜力和广阔前景的合成方法。
但是能耗高，粉体纯度不高，制作纳米粉体尤为困难，只 能作为初级陶瓷应用。
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备
气相法制备氮化硅粉体多种多样。包括： 高温气相反应法 ; 激光气相反应法; 等离子体气相反应 溶胶--凝胶法 ; 自蔓延法；流态床CVD法等等。 首先我来介绍流态床法：流态床是固体微粒与气流接触而形 成类似流体状的装置, 由于其极高的传热和传质能力, 非常 适合工业生产, 近年来, 流态化化学气相沉积在超细粉体制 备和粉体改性中得到了广泛的应用因此, 通过此法制备了 高质量氮化硅纳米粉体。
→
Si3N4 +12H2
事实上，硅烷和氨气除了反应（1），还可能进行反应（2）和（3 ）。
（2）SiH4 →SiH2 +H2 （3）SiH2→Si+H2
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备
如果式（3）反应会有硅的微小颗粒, 这样将大大降低氮 化硅纯度, 因此, 在用该流态床法制备氮化硅纳米 粉体时要抑止硅烷分解为硅，氨气能抑止硅烷分解为硅, 因此, 可以提高氨气的百分含量来控制反应, 合适的硅烷与氨 气比的范围为*？*、同时, 硅烷分解为硅需要一定的孕育 期, 因此, 控制流体的流速来控制硅烷在流态床床体内驻留 的时间, 最佳的流速为初始流态化速度的*？倍, 太低的流 速会有硅的生长, 太高的流速会降低产量。
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备 反应方程：
SiH4+NH3
(<0.2微米，过剩N、H)
非晶态颗粒 → Si3N4 颗粒
气相反应
热处理
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备 流态床实验流程图：
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备
为了建立一个灵活可调的温度场, 此方法采用了 两个独立的加热器, 分别给上下流态床体加热， 在下段流态床, 反应气源硅烷与氨气得到预加热, 然后进入上段流态床, 达到反应温度后立刻发生反应, 从而生成了氮化硅纳米粉体, 此反应可以用反应式表示 （1）SiH4+4NH3
先进的氮化硅制备方 法
碳热还原法
碳热还原法方程式：
3SiO2+6C+N2 设 备 示 意 图
→
160 ℃ 0
Si3N4+6CO
碳热还原法
SiO2-C-N2 系统化学反应分析: 1、反应自由焓的计算 在碳热还原法制备氮化硅粉体的SiO2-C-N2系统中,可能发生的反应 有：
碳热还原法
根据化学热力学,化学反应能够自发 进行的判断依据是: 由吉布斯- 赫尔姆兹公式 来计算。
碳热还原法
• 计算上述反应的自由焓变结果，可以看出 自由焓变与温度的关系如下：
碳热还原法
• 反应自由焓随温度变化曲线：
碳热还原法
碳热还原合成Si3N4反应分析： 碳热还原合成氮化硅的可能反应有（1）和（2），由图1 可知，反应（1）在所达到的温度范围内自由焓变大于零 ，实际上无法进行。反应（2）在温度1800K左右自由 焓变由大于零变为小于零，是碳热还原合成氮化硅的必 然途径。此反应一般认为是通过以下两步反应完成的：
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备
流态床CVD法纳米氮化硅粉体的制备
流态床CVD法制备超细氮化硅粉体由于 其转化率高以及整个流程适合于放大后进行 大规模生产, 因此, 该方法在未来的陶瓷粉体工业 生产中具有重要的意义.
本次课程结束，谢谢欣赏
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