202451. lajstromszámú szabadalom • Eljárás nagy alfa-fázis tartalmú szilicium-nitrid előállítására
3 HU 202451 B 4 Ez az eljárás a reagálóanyagok közötti exoterm reakció hőjének alkalmazásán alapul, amely reagálóanyagok közül legalább egy kondenzált állapotban van. Az eljárás lényege abban áll, hogy a reagálóanyagok keverékének egyik rétegében lokálisan iniciáljuk a kémiai reakciót, és a reakció égés-üzemben folytatódik tovább, az égés frontja spontán terjed tovább annak következtében, hogy a reakció által termelt hő elegendő a reakcióba lépő elegy felhevltéséhez. A szilícium és nitrogén reakciójának jelentős reakcióhője lehetővé teszi, hogy a szilíciumot égés-üzemben, azaz az önfenntartó, magas hőmérsékletű szintézis eljárásában nitridáljuk. A szilícium nitrogénnel végbemenő reakciójának hője olyan nagy, hogy az cC-szilicium-nitrid képződése szempontjából szükséges az égés-hőmérséklet csökkentése. Az égés-hőmérséklet csökkentésére alkalmazzák a porított reagálóanyagok keverékének hígítását a végtermékkel (egészen 50 tömegX-ig). Az önfenntartó, magas hőmérsékletű szintézis eljárásával, alkalmazva a porított reakcióba lépő anyagok keverékének végtermékkel való hígítását nagy oC-fázis-tartalmú szilícium-nitridet nyertek (J. Am. Ceram. Soc., v. 69, 4, 1986, Kiyoshi Hirao, Yoshinary Miyamoto, Mitsue Koizume .Syntehesis of Silicon Nitride by a Combustion Reaction under High Nitrogen Pressure, p. 60-61). Az eljárás abból áll, hogy (99,9% tisztaságú) ^ 5 um diszperzitású sziliciumporból és (98%-os) 0,1 um diszperzitású oC-szilícium-nitridből 47,4 tömegX arányú porkeveréket (töltetet) készítenek, a töltetet 0,2 um diszperzitásig acetonban aprítják, majd vákuumban szárítják, 6 mm átmérőjű és 10 mm magasságú hengereket készítenek, amelyeknek sűrűsége az elméleti sűrűség 44-46X-a, és a szintézist égés-üzemben nitrogénkőzegben végzik 10 MPa nyomáson, miután a reakciót a töltet egyik rétegében 3 másodpercig tartó villamos impulzussal iniciálták. Az égő-üzemben végzett szintézissel 87 tömegX oC-fázis-tartalmú szilícium-nitridet nyertek. Nagy oC-fázis-tartalmú szilicium-nitridnek a tárgyalt eljárással történő előállítása során a kiindulási töltet elkészítésénél az égés-hőmérsékletet csökkentő inert komponensként a kiindulási töltetre vonatkoztatva 50 tömegX mennyiségben közel 100X oC-fézis-tartalmú szilícium-nitridet alkalmaztak. A találmány célja olyan eljárás kifejlesztése nagy oC-fázis-tartalmú szilicium-nitrid előállítására, amely lehetővé teszi, hogy az önfenntartó, magas hőmérsékletű szintézissel elegendő mennyiségben rendelkezésre álló nyersanyagokból állítsunk elő terméket. A célkitűzés elérésére a találmány szerinti eljárással úgy állítunk elő nagy oC-fázis-tartalmú szilícium-nitridet reakcióba lépő szilíciumnak és adalékanyagot tartalmazó töltetnek nitridáló közeggel nagyobb nyomáson történő érintkeztetésén alapuló, magas hőmérsékleten lejátszódó, önfenntartó szintézise útján, hogy reakcióba lépő szilíciumként fémes szilíciumot, adalékanyagként legalább egy, a reakcióba lépő szilícium tömegére vonatkoztatva 1-60 tömegX mennyiségű ammónium-halogenidet alkalmazunk, és az önfenntartó, magas hőmérsékleten lejátszódó szintézist 4-30 MPa nyomáson végezzük. •A nitridáló közeg nyomásának 4 MPa alá csökkentése a szilícium csekélyebb nitridálési fokának következtében csökkenti a szilícium-nitrid kitermelését. A nitridáló közeg nyomásának 30 MPa fölé növelése nem célszerű, mivel ezáltal nem növekszik a szilícium nitridálási foka. A találmány szerinti eljárásban a töltethez alkalmazott adalékanyag a szintézis sorén kettős szerepet játszik. Először olyan komponenst jelent, -amely a töltetet higitja, azaz csökkenti az égés-hőmérsékletet és ezáltal lehetővé teszi, hogy az oC-fázis képződése szempontjából kedvező hőmérsékleten végezzük a reakciót. 1 tömegX-nál kevesebb adalékanyag az égés hőmérsékletének és a végtermék disszociációjának növekedéséhez vezet, azaz bekövetkezik az alsó kritikus égési határérték túllépése. 60 tömegX-nál nagyobb adalékanyag-tartalom esetén bekövetkezik ebben a rendszerben a felső kritikus égési határ túllépése (azaz az égés lehetetlenné válik). Másodsorban ezek az adalékanyagok az önfenntartó, magas hőmérsékletű szintézis 6orán nem inertek. Az égési frontban bekövetkező párolgásuk sorén szilíciummal közbülső reakciótermékeket képeznek, amelyek hozzájárulnak ahhoz, hogy az égés utózónájában további oC-szilicium-nitrid képződjön. Ebből a célból a töltet adalékanyagaként ammónium-halogenidet, illetve ammónium-halogenidek keverékét alkalmazzuk. Ammónium-halogenidként például ammónium-fluoridot, ammónium-kloridot és ammónium-jodidot alkalmazhatunk. Az említett ammónium-halogenideket tetszőleges kombinációjú keverékként is alkalmazhatjuk. Adalékanyagként javasoljuk a periódusos rendszer I—III csoportjába tartozó egyik fém halogenidjének bevitelét a töltetbe, amelynek során az ammónium-halogenid és fém-halogenid tömegaránya 1:0,01-1:1 között legyen. A periódusos rendszer I—III csoportjába tartozó egyik fém halogenidjének adalékanyagként a töltetbe vitele lehetővé teszi, hogy jó szinterezhetóségű oC-szilicium-nitridet nyerjünk. A termék oC-szilícium-nitrid-tartalmának növelése szempontjából célszerű a fémszilicium- 5-95 tömegX-át kitevő menynyiségben amorf szilícium és/vagy szilicium-imid adagolása a töltetbe, amelynek során az 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
