202451. lajstromszámú szabadalom • Eljárás nagy alfa-fázis tartalmú szilicium-nitrid előállítására
1 HU 202451 B 2 A találmány tárgya eljárás nagy oC-fázis-tartalmú szilicium-nitrid előállítására. Egyedülálló fizikai-mechanikai tulajdonságai (nagy keménység, kielégítő szilárdság és kopásállóság, hóstabilitás, rendkívül csekély hőtágulási együttható, számos agresszív közeggel szembeni passzivitás, alacsony súrlódási együttható, csekély sűrűség, sajátos félvezető-tulajdonságok és dielektromos tulajdonságok) révén a szilicium-nitridet különböző rendeltetésű kerámiai anyagok előállítására használják. Ezeket a hóálló szerkezeti anyagokat, tűzálló anyagokat, súrlódást csökkentő és szerszámanyagokat, villamos feszültséggel szemben nagy stabilitású, széles tartományban állandó dielektromos tulajdonságokkal rendelkező, hőszigelető és ellenkezőleg, hővezető képességű különleges szerkezeti anyagokat a gépgyártásban, a szerszámgyártásban, a kohászatban, a rakétatechnikában, az elektronikában, az elektro- és rádiótechnikában és egyéb iparágakban használják. A szilicium-nitrid-porok ipari előállítására széles körben alkalmazzák a közvetlen szintézis különböző változatait, a közvetlen eljárások kifejlesztése szempontjából szerepet játszik az a körülmény, hogy azok kiindulási anyagai a természetben elegendő mennyiségben rendelkezésre állnak. A szilicium-nitrid-porok közvetlen szintézisének ismert eljárásait a nitridálás elvégzésének elve alapján az ipari méretekben is kifejlesztett, kemencében végzett szintézisen alapuló hagyományos eljárásokra, és az utóbbi időkben kifejlesztett, perspektivikus plazmakémiai eljárásra és az égés körülményei között végbemenő önfenntartó, magas hőmérsékletű szintézis eljárására oszthatjuk. A szilicium-nitrid-porok kemencében végzett szintézise elemi sziliciumpor villamos kemencében, nitrogén vagy nitrogéntartalmú gáz áramában végzett hevítésén alapuL Ennek az eljárásnak vannak olyan változatai, amelyek a szilicium-dioxidot redukálóanyagot, előnyösen szenet tartalmazó keverékben redukálják. A szilícium kemencében végzett nitridólása meglehetősen hosszadalmas, általában két fokozatban végzik. A sziliciumpor első nitridálási fokozatát 100-250 °C hőmérsékleten, a szilícium olvadáspontjánál kisebb hőmérsékleten végzik mindaddig, amig a szilícium 30- -40%-ban reagál nitrogénnel. Ez a fokozat 3- -5 óra időtartamig és a második fokozat 10- -30 óra időtartamig tart. A második fokozatban következik be a végleges nitridálás 1500-1600 °C hőmérsékleten. Nagy oC-fázis-tartalmú szilícium-nitrid-por előállítására ismert egy különösen nagy teljesítőképességű és meglehetősen egyszerű eljárás, amely kemencében végzett szintézist alkalmaz (01 86 497 számú európai szabadalmi leírás). Az eljárás a fémes szilíciumnak nitrogéntartalmú, csökkentett nitrogén parciális nyomású gázban végzett, 4-5 óra időtartamú nitridálásából áll, amelynek során kemencében 1200-1400 °C hőmérsékleten tartják, a nitrogén 0,05 MPa parciális nyomását mindaddig fenntartják, amig a szilícium 50-60 tömé gX-ot kitevő mennyisége reagál. Az eljárás lehetővé teszi, hogy 97 tömeg* mennyiségben oC-fázist tartalmazó szilicium-nitrid-port állítsanak elő. A szilicium-nitrid fenti eljárással történő előállítása során a nitridálás egész folyamata alatt szükséges a hőmérsékletnek, a nitrogén parciális nyomásának és a gázáram sebességének szigorú ellenőrzése az oC-fázis keletkezéséhez szükséges hőmérséklet biztosítósára és a nitridálás reakcióhőjének hővezetés útján történő kompenzálására. Ennek az eljárásnak a megvalósításához ezenkívül még jelentékeny áramfelhasználás szükséges a villamos kemencékben az 1200-1400 °C nitridálósi hőmérséklet elérésére. A plazmakémiai szintézis, a szilíciumnak nitrogéntartalmú, alacsony hőmérsékletű plazmában történő nitridálása jó szinterezhetóségű, rendkívül finom szilicium-nitrid-porok előállítására szempontjából tarthat számot érdeklődésre-Ismeretes plazmakémiai eljárás szilicium-nitrid előállítására (Izvestiya Akadémii nauk UdSSR, seriya Neorganitcheskie Materialy, v. 15, Nr. 4, 1979, Moszkva, G.M. Heideman, J.P. Grabis, T.A. Miller: Vysokotemperaturnyi sintez melkodispersnogo nitrida kremniya, 595- -598) sziliciumnak nagyfrekvenciás generátor által keltett nitrogénplazmában történő nitridálása útján, amelynek során 98,9* tisztaságú szilíciumot és nagy tisztaságú nitrogént használnak. Az ismertetett eljárással nyert szilicium-nitrid-por (oí- és ^-fázisok keveréke) 2-4 tömeg* Ezabad szilíciumot és legfeljebb 5 tömeg* oxigént tartalmaz. A plazmakémiai eljárással előállított szilicium-nitrid-por ezenkívül megnövekedett kémiai aktivitást mutat más eljárásokkal nyert porokhoz képest, és a nedves levegőn hidrolízisre hajlamos, ami tárolása és feldolgozása során bizonyos intézkedéseket tesz szükségessé. Bár a plazmakémiai úton előállított por 6zinterezhetősége jó, minősége nem teszi lehetővé magas követelményeket kielégítő fizikai-mechanikai tulajdonságú kerámiai anyagok előállítását. A plazmakémiai szintézis során, hasonlóan a kemencében végzett szintézishez, ezenkívül jelentős áramfelhasználás szükséges. A kapott termék tisztasága és minősége, a folyamat teljesítménye és energiaintenzitása szempontjából a szilicium-nitrid közvetlen szintézisének különösen perspektivikus eljárása az (égő-üzemmódú) önfenntartó, magaB hőmérsékletű szintézis (3 726 643 számú USA-beli szabadalmi leírás). 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
