一种新的激光制氮化硅粉末的方法及装置

摘要

本发明是一种激光制备氮化硅粉的方法，及使用该方法制备氮化硅粉的系统装置。;本发明的特点是采用多个不同波段的光源对多种反应气体同时进行激励，在制备氮化硅粉时，采用红外与紫外光。利用本发明方法制作的一套激光制氮化硅粉的系统，主要有：光源供气装置、合成腔收集装置测温，尾气处理，数据采集与控制等部分。

说明书

本发明是一种激光制备氮化硅超细微粉的方法，以及使用该方法制备氮化硅粉的系统装置。国际分类号是BOIJ19/12。

用激光合成高温结构陶瓷微粉是目前世界上材料科学前沿的研究工作，处于激光技术、合成化学与材料科学交叉的边缘学科。用这种方法制成的微粉具有纯度高，粒度分布均匀，无粘结和有特殊的光学、电学、声学等性质，有极其广泛的应用前景。

激光制粉的研究始于70年代中期，我国从80年代也开始了这项研究。为了使我国能够生产出各种超细微粉末，为我国的军工、民用提供新的结构材料和功能材料，我们从83年就开始了激光制粉的研究。

到目前为止，激光制备氮化硅都是采用单一的激励光源，用以使反应气体吸收光子发生激光诱导化学反应，但采用单一激励光光源，不能使参加合成反应的多种气体同时达到强吸收，严重影响了量子转换效率的提高。

我们用A、B分别代表两种反应气体的分子，其特征吸收分别为λ_a、λ_B，一般情况下，两种不同气体的吸收波段是不同的，即使波段相同，但对某一特定波长光的吸收也是不同的，即λ_a≠λ_B，采用单一光源激励可能有三种情况：①A强吸收，B弱吸收;②A弱吸收，B强吸收;③A、B均弱吸收。这三种状况都会降低光子的有效利用率，而且原料的利用率也不高。

本发明的目的是克服采用单一光源激励，使参加合成反应的气体不能同时达到强吸收这一缺点，提出一种新的激光制氮化硅粉末的方法及装置。

本发明的特点是，采用多个不同波段的光源，对多种反应气体同时进行激励。

当我们采用两个不同波段的光源，对A、B两种气体进行激励时，如果A分子或自由基在λ₁有强吸收，B分子或自由基在λ₂有强吸收，我们选用λ₁λ₂这两种波长的光源来同时激励，则有：

①A ( hv1 )/(hv2)>＊气体A分子吸收λ₁光子被激励到激发态A^＊

B (>2)/()>＊气体B分子吸收λ₂光子被激励到激发态B^＊

A^＊+B^＊→C+E+F>

②A (>1)/(hv₁)>＊气体A分子吸收λ₁光子，被激励到激发态A^＊

B ( )/() B′气体B分子先吸收λ₁光子到一中间态，该中间态虽不能直接参与合成反应，但吸收λ₂光子后可以变为B^＊。

B′ ( hv2 )/()>＊气体B分子先吸收λ₁光子到一中间态，该中间态虽不能直接参与合成反应，但吸收λ₂光子后可以变为B^＊。

A^＊+B^＊→C+E′+F′>

③A (>1)/(hv₂)>＊气体A分子吸收λ₁光子，被激励到激发态A^＊。

B ()/(>1)>＊气体分子B先吸收λ₂光子到一中间态，然后吸收λ₁光子变为B^＊。

B^〃( )/()>＊气体分子B先吸收λ₂光子到一中间态，然后吸收λ₁光子变为B^＊

A^＊+B^＊→C+E^〃+F^〃C为超细微粉，E^〃F^〃分别为付产物。

对于两种以上的光源也可以作类似分析。由此可以看出，在单一光源激励下未能参与合成反应的处于过渡态的分子或自由基也得到了利用。这明显提高了光子的有效利用率和对原材料的利用率，再则气体的配比方面也有很大的选择自由。

本发明采用红外、紫外双光束交叉激励技术，以连续高功率CO₂激光为主激励光源，以紫外光为辅助光源，红外光和紫外光同时激励SiH₄+NH₃混合反应气体，实现定向诱导热化学和光化学同时进行的合成反应，生成Si₃N₄粉未：

在上述反应中，CO₂激光（10.6μ）对SiH₄的吸收系数大，而对NH₃的吸收系数小，CO₂激光的能量主要依靠受激SiH₄分子（v-v）→（V-T）过程，逐步转移给NH₃分子。由于SiH₄在较低温度（～300℃）就开始离解，而NH₃的离解温度较高（＞1000℃），因此，在达到合成反应温度（～1100℃）前反应体系中总有过剩的Si原子存在，容易使生成的粉未中存在游离硅。紫外光的作用在于通过紫外光化学反应，使大量NH₃分子直接光解，在较低的温度下，增加体系中N原子的浓度，改变CO₂激光热化学反应平衡常数，加快反应速率。采用双光束激励的结果是，系统合成反应温度要求降低，从1100℃降到800℃，提高了光子有效利用率和粉未的纯度，也大大提高了原料的利用率。

总之，本发明是采用多个不同波段的光源，对多种反应气体同时进行激励。主要包括两方面：1、激励反应气体的分子到有利于进行合成反应的激发态;2、激励反应过程中生成的自由基至有利于合成反应的激发态，最终实现双向定向诱导化学合成反应制备氮化硅微粉。

根据本发明的方法，我们研制了一套用微机控制的双光束激励的激光制粉系统。该系统主要包括：光源、供气系统、合成腔、收集系统、测量系统、尾气系统、数据采集控制系统等七个部分。附图1是用本发明方法制作的一套激光制粉系统的结构图，图中的1是供气装置，2是气体净化装置，3是气体配比装置，4是多层塔式混气室，5是分流器，6是合成装置，7是收集装置，8是气动装置，9是尾气处理装置，10是空气压缩泵，11是微机处理装置，12是中心控制设备，13是终端打印设备，14是压力传感器，15是光纤温度计，16是CO₂激光器，17是控制台，18是水冷装置，19是真空机组，20是光闸，21是光阑，22是安全报警装置。

其中的混气室采用如图2所示的塔式结构，气体从进气口23，进入混气装置24，在混气室内自动混合。

合成装置如图2所示，25是合成腔，26是激光器，有一束红外光，与之垂直的是一束紫外光，这样在合成腔里红外、紫外正交，使反应气体进行合成反应。

该装置由计算机统一控制管理，采用了二步控制法，即对单因素变量实施一级控制，同时对相关变量实施反馈控制见附图3，主要包括：

1、装置中各种气体的配比设定，实时采样控制（五路）;

2、合成腔压力实时采样控制（1路）;

3、反应温度实时采样（1路）;

4、安全报警：压力报警（4路），断水报警（10路），断电系统自关闭（1路）;

5、各种参数自动定时（或随时）显示打印。

整个系统分上位机，下位机，下位机有主机，从机，因此分成两单元。两单元之间以RS-232C通讯方式交换信息，形成一体。上位机可放在远离装置的机房内，下位机在工作现场，二者可由下位机以连机、脱机两种方式运行，连机时人机对话在上位机上进行，（包括参量的设定，测试结果打印），以汉字方式在显示屏上显示。脱机时，人机对话在下位机面板上完成，脱机时下位机可自成体系工作，包括流量、压力设定，实时采样、控制以及各种参数的实时（或随时）显示打印。下位机由三层互相隔离的机箱组成一个立式机柜，第一层机箱内装有主机及主机附属通讯插件，打印插件以及操作面板，显示器，还有从机及从机外围的A/D，D/A，on/off与从机直接相联的插件板。第二层机箱内安装有从机外围A/D，D/A，on/off的与从机电气隔离部分，第二层与第一层以扁平电线连接，这样就形成了计算机与外围控制设备全隔离结构，提高了抗干扰性能。第三层内装有专用交流稳压电源及继电器箱。

本发明的气体流量配比控制，是通过质量流量控制器与计算机接口配合而成的。流量控制原理见附图4，既可手动调节、又可以计算机控制，而且无论是手动调节还是计算机控制，流量的实时采样显示都同样有效。

压力的稳定与否对生成的氮化硅粉未粒度有严重影响。在合成反应时压力变化对激光吸收效率、反应温度，成核生长速率都有影响，因此稳定合成腔的压力极为重要。为此对压力的实时采样和控制采取了更多的措施，压力采样是通过一个高灵敏度的压力变送器，经过安全保持器隔离后送给计算机的外周接口电路。为了提高压力测试精度，我们设计了一路v/f转换器，使分辨率达到1Hz/mv（这样压力采样可分辨信号量1mv，其它路的可分辨信号为20mv）这样就大大提高了压力测试精度。而压力的调节则是根据合成腔的压力与气体流量成线性关系为依据，通过调节合成腔排出气体的流量来实现的。本发明采用了一个气动薄膜调节阀，阀门定位和空气过滤器连接手轮机构联合组成了一个调节机构并和计算机D/A接口联接。手轮机构是为了在自动控制失灵时使用。当自动控制失灵时，只需在计算机面板上按一个键，使调节机构与计算机断开，就可以进行手动调节，以保证装置安全运转。压力控制原理图见附图5。

温度测量采用了红外光纤温度计。为了提高测量的准确性和提高抗干扰能力，设计了一个温度测量用的前置放大器，并将它固定在温度计后的面板里，其输出与计算机接口（A/D）相接。

利用本发明作出的装置温度长期稳定度＜1%，压力长期稳定度＜2%，Si₃N₄粉末最大最小粒径比＜2.4，化学成份波动值：△0≤0.03%，△Si≤0.05%。△N≤0.05%，△cl≤2ppm。