一種生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于氮化硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，對于現(xiàn)代技術(shù)中經(jīng)常遇到的高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)和高磨損的工作環(huán)境，具有特殊的用途。氮化硅在工業(yè)上的用途很廣泛，可應(yīng)用于冶金、機(jī)械、化工、半導(dǎo)體、航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域，作為渦輪葉片、高溫軸承、高速切削工具、耐熱部件、耐磨耐腐部件等。隨著氮化硅應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大和對氮化硅品質(zhì)要求的不斷提高，氮化硅粉體的制備越來越受到重視。
[0003]已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的氮化硅制備技術(shù)有四種:(1)硅粉直接氮化法，包括低壓高溫氮化和高壓自蔓延氮化；(2)碳熱還原法，由二氧化硅和碳粉在氮氣中發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成氮化硅；(3)低溫硅烷法，由四氯化硅和氨氣生成中間產(chǎn)物含氮硅烷化合物Si(NH)2，然后再熱解為氮化硅；(4)高溫硅烷法，由四氯化硅或甲硅烷在高溫下直接和氨氣發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅。在上述方法中，低溫硅烷法和高溫硅烷法容易實現(xiàn)對原材料的提純，適宜于高純氮化硅粉體的制備。但高溫硅烷法中，甲硅烷易燃易爆，危險性高，而以四氯化硅作為原料時，需要采用等離子體、激光等技術(shù)進(jìn)行反應(yīng)強(qiáng)化，投資大，產(chǎn)率低，成本高。
[0004]低溫硅烷法所制備的氮化硅以其高質(zhì)量被人們普遍接受，但低溫硅烷法中含氮硅烷化合物的合成為強(qiáng)放熱的快速反應(yīng)，含氮硅烷化合物中容易夾帶氯元素，因此目前其生產(chǎn)一般采用四氯化硅和氨的液液界面反應(yīng)來控制反應(yīng)速度，然后再用大量液氨洗去氯化銨副產(chǎn)物的方法得到純凈的含氮硅烷化合物，最后再熱分解為氮化硅。液液界面反應(yīng)速率慢，工藝復(fù)雜，產(chǎn)能低，致使其成本一直高居不下。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將制備過程中生成的氨氣再利用與第二氯硅烷反應(yīng)，重新生成了制備氮化硅所需的中間體第二含氮硅烷化合物，從而節(jié)約了成本。
[0006]解決本實用新型技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)，包括:
[0007]第一反應(yīng)器，用于載氣中原料第一氯硅烷與原料第一氨氣反應(yīng)，得到第一固體混合物和第一氣體混合物，其中，所述第一固體混合物包括所述第一氯硅烷與所述第一氨氣反應(yīng)生成的第一含氮硅烷化合物和第一氯化銨，所述第一氣體混合物包括載氣和第一氨氣；
[0008]加熱裝置，與所述第一反應(yīng)器連接，所述第一反應(yīng)器內(nèi)的所述第一固體混合物進(jìn)入所述加熱裝置，所述加熱裝置用于加熱所述第一固體混合物反應(yīng)，得到第二固體物質(zhì)和第二氣體混合物，其中，所述第二氣體混合物包括所述第一氯化銨經(jīng)過加熱生成的氨氣和氯化氫，所述第二固體物質(zhì)包括所述第一含氮硅烷化合物經(jīng)過加熱生成的高α相含量的氮化娃；
[0009]淋洗塔，與所述加熱裝置連接，所述第二氣體混合物進(jìn)入所述淋洗塔，所述淋洗塔用于通入第二氯硅烷對所述第二氣體混合物進(jìn)行淋洗，得到第三固體混合物和第三氣體物質(zhì)，其中，所述第三固體混合物包括所述第二氯硅烷與所述第二氣體混合物中的氨氣反應(yīng)生成的第二含氮硅烷化合物和第二氯化銨，所述第三氣體物質(zhì)包括氯化氫。
[0010]本實用新型的生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)可以將制備過程中生成的氨氣再利用與第二氯硅烷反應(yīng)，重新生成了制備氮化硅所需的中間體第二含氮硅烷化合物，從而節(jié)約了成本。
[0011]第一反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)為氣氣反應(yīng)，原料氣的流量和反應(yīng)均很容易控制。
[0012]本實用新型的含氮硅烷化合物一般也稱為硅二亞胺，容易吸收或放出氨氣后以S1-N-H系化合物形式存在，含氮硅烷化合物多數(shù)可用Si (NH)2式表示，Si (NH)2并不是一具體的物質(zhì)，該類化合物可以為Si6N13H15、Si6N12H12、Si6NnH9等。
[0013]所述第一反應(yīng)器內(nèi)的載氣為氮氣、氨氣、惰性氣體中的一種，通過載氣對反應(yīng)所用的原料進(jìn)行稀釋。
[0014]氯硅烷用載氣通入，優(yōu)選的載氣為氮氣，并控制氮氣的流量為第一氯硅烷的2倍以上，以控制反應(yīng)速度并防止生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)出現(xiàn)管道堵塞。
[0015]優(yōu)選的是，所述第一氯硅烷為四氯化硅、三氯氫硅、二氯二氫硅中的一種或幾種。
[0016]所采用的原料第一氯硅烷和原料第一氨氣純度均在99.99%及以上，另外第一氨氣和載氣均要進(jìn)行脫水處理。
[0017]優(yōu)選的是，所述第一反應(yīng)器內(nèi)，所述加熱載氣中原料第一氯硅烷與原料第一氨氣反應(yīng)的溫度為10?100°C，壓力為0?IMPa。
[0018]優(yōu)選的是，所述第一反應(yīng)器內(nèi)，所述第一氯硅烷和所述第一氨氣的摩爾比為1:(6?30)。氨氣過量可以使得氯硅烷反應(yīng)完全。
[0019]優(yōu)選的是，所述淋洗塔的塔釜與所述加熱裝置的入口連接，用于所述第三固體混合物進(jìn)入所述加熱裝置。則所述第三固體混合物與所述第一固體混合物混合，重復(fù)循環(huán)所述加熱裝置內(nèi)的反應(yīng)。
[0020]優(yōu)選的是，所述加熱裝置包括:
[0021 ] 第一加熱器，包括第一加熱器的入口、第一加熱器的第一出口、第一加熱器的第二出口，所述第一加熱器的入口與所述第一反應(yīng)器連接，用于所述第一反應(yīng)器內(nèi)的所述第一固體混合物進(jìn)入所述第一加熱器，在非氧化性氣氛下，加熱所述第一固體混合物反應(yīng)，得到第四固體混合物和第四氣體混合物，所述第四氣體混合物包括所述第一加熱器內(nèi)的所述非氧化性氣氛的氣體、所述第一氯化銨發(fā)生熱分解生成的氨氣和氯化氫，所述第四固體混合物包括所述第一含氮硅烷化合物，通過該步除去了副產(chǎn)物第一氯化銨，所述第一加熱器的第一出口與所述淋洗塔連接，所述第四氣體混合物經(jīng)過所述第一加熱器的第一出口進(jìn)入所述淋洗塔；
[0022]第二加熱器，包括第二加熱器的入口、第二加熱器的第一出口、第二加熱器的第二出口，所述第二加熱器的入口與所述第一加熱器的第二出口連接，用于所述第一加熱器內(nèi)的所述第四固體混合物進(jìn)入所述第二加熱器內(nèi)，在氨氣氣氛下，加熱所述第四固體混合物，得到第五固體混合物和第五氣體混合物，所述第五固體混合物包括所述第一含氮硅烷化合物發(fā)生熱分解生成無定形的氮化硅，所述第五氣體混合物包括氨氣氣氛的氣體、氯化氫、所述第一含氮硅烷化合物發(fā)生熱分解生成的氨氣，所述第二加熱器的第一出口與所述淋洗塔連接，所述第五氣體混合物經(jīng)過所述第二加熱器的第一出口進(jìn)入所述淋洗塔;所述第一含氮硅烷化合物發(fā)生熱分解生成的氨氣進(jìn)入第一含氮硅烷化合物的內(nèi)部，除去其中內(nèi)部的氯元素，避免了現(xiàn)有技術(shù)中液氨洗滌除去氯元素的方法，極大簡化了氮化硅的生產(chǎn)流程。第一加熱器的第一出口、第二加熱器的第一出口均與淋洗塔連接，可以同時回收第四氣體混合物和第五氣體混合物中的氨氣，降低處理成本。
[0023]第三加熱器，與所述第二加熱器的第二出口連接，所述第二加熱器內(nèi)的所述第五固體混合物進(jìn)入所述第三加熱器內(nèi)，用于在非氧化性氣氛下，加熱所述第五固體混合物，得到所述第二固體物質(zhì)和所述第二氣體混合物，所述無定形的氮化硅經(jīng)過加熱生成高α相含量的氮化娃。
[0024]優(yōu)選的是，所述第一加熱器內(nèi)，所述加熱所述第一固體混合物反應(yīng)的溫度為500?600°C，加熱時間為1?2小時；
[0025]所述第二加熱器內(nèi)，所述加熱所述第四固體混合物的溫度為650?1200°C，加熱時間為2?8小時；
[0026]所述第三加熱器內(nèi)，所述加熱所述第五固體混合物的溫度為1250?1700°C，加熱時間為2?8小時。
[0027]優(yōu)選的是，所述第三加熱器內(nèi)，所述加熱所述第五固體混合物的溫度為1350?1600°C，溫度過低，則相轉(zhuǎn)變時間長，溫度過高，則容易提升氮化硅中β相的含量。
[0028]優(yōu)選的是，所述的生產(chǎn)氮化硅的系統(tǒng)還包括:
[0029]第二反應(yīng)器，包括第二反應(yīng)器的入口和第二反應(yīng)器的出口，所述第二反應(yīng)器的入口與所述淋洗塔的塔頂連接，用于所述第三氣體物質(zhì)由所述淋洗塔的塔頂進(jìn)入所述第二反應(yīng)器，所述第二反應(yīng)器用于通入硅粉與所述第三氣體物質(zhì)加熱反應(yīng)得到第三氯硅烷，所述第二反應(yīng)器的出口與第一反應(yīng)器的入口連接，所述第三氯硅烷進(jìn)入所述第一反應(yīng)器內(nèi)。則所述第三氯硅烷與所述第一氯硅烷混合，重復(fù)所述第一反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)，重新用于氮化硅的生產(chǎn)。
[0030]優(yōu)選的是，所述第二反應(yīng)器用于通入硅粉與所述第三氣體物質(zhì)加熱反應(yīng)得到第三氯硅烷的反應(yīng)溫度為300?500°C，更優(yōu)選的是，325?400°C，通過控制反應(yīng)的溫度，可以調(diào)節(jié)生成的第三氯硅烷產(chǎn)物中各組分如四氯化硅、三氯氫硅的含量。
[0031]第二反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)物第三氯硅烷也是多晶硅生產(chǎn)的原料，因此該產(chǎn)物可以并入到多晶硅生