由硅化镁燃烧合成氮化硅镁粉体的制备方法

摘要

一种硅化镁燃烧合成MgSiN

说明书

技术领域

本发明涉及氮化硅镁(MgSiN₂)粉体的制备方法，更确切的说是涉及燃烧合成方法制备MgSiN₂粉体，属于非氧化物超细粉体制备领域。

背景技术

随着电子工业的飞速发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，芯片集成度的迅速提高必然导致其发热量的增加，使得电路的工作温度不断上升，寿命减短。因此有关具有高热导率的散热基片和基板材料的研究成为各国研究的热点。

作为封状材料和散热基片AlN和Si₃N₄常用烧结助剂为碱土和稀土氧化物，但这样常常会引入对热导起危害作用的氧，因此近年来，非氧化物烧结助剂开始引起人们的广泛关注。

MgSiN₂与AlN具有十分相似的结构，具有较高的理论热导率、较低的介电常数，具备作为陶瓷基片的基本条件，有较大的开发研制的潜力。日本的研究人员还采用氮化硅镁粉体作为氮化硅陶瓷的烧结助剂，常规烧结致密的氮化硅陶瓷的热导率可达到140Wm^-1K^-1，与氮化硅的理论值400Wm^-1K^-1还有很大的距离，表明还有很大的发展空间。

要获得高性能的散热材料，首先要制备出性能优异的MgSiN₂。日本的Hisoshi Uchida等[Adv.Powder Technol.，1999，10[2]，133-143]以MgSiO₃为原料，采用碳热还原法获得氮化硅镁粉体，其中MgSiO₃前驱体是采用Mg(NO₃)₂和Si(OC₂H₅)₄共沉淀方法获得；日本的Zoltán等人[J.Am.Ceram.Soc.，2003，86[7]，1088-93]以镁粉、硅粉、硅化镁和氮化硅粉为原料，在高纯氮气中1350℃直接合成；荷兰的W.A.Groen等人[J.Euro.Ceram.Soc.，1993，12，413-420]以氮化镁和氮化硅为原料，在1250℃以上的高温下氮化得到氮化硅镁粉；日本的Hiroshi Uchida等人[Adv.Powder Tech.，1999，10(2)：133-143]采用Mg和Si粉或Mg₂Si为原料，在1400℃以上的高温下氮化的方法制得氧含量最低为O.76mol％的氮化硅镁粉体。

虽然以上这些工艺都能制备MgSiN₂粉体，但共同的缺点是生产周期长，同时需要消耗较多的能源，工艺过程复杂。

和以上制备方法相比，本发明人提出采用燃烧合成技术来制备MgSiN₂粉体的方法，它具有能耗低、产率高、工艺简单、操作方便、投资少等优点，真正达到大规模合成MgSiN₂粉料的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大规模化合成高性能MgSiN₂粉体的方法。

具体地说：

(1)原料，包括α-Si₃N₄粉(α相含量＞83wt％，粒径0.3～30μm，氧含量＜1wt％)，硅粉纯度＞95wt％，粒径为0.5～50μm；镁粉的纯度＞95wt％，粒径为0.5～50μm；硅化镁粉是采用上述镁粉和硅粉按摩尔比2∶1混合，700℃氩气中保温1～2小时制备得到的，或者在市场上购得。

(2)α-Si₃N₄粉和硅化镁粉，根据MgSiN₂组份设计，按摩尔比1∶3.0～4.0的比例混合若干小时后，取出过筛。

(3)将硅化镁粉或α-Si₃N₄粉与硅化镁粉的混合物松装于碳毡制的直立环状筒或盘状容器中，松装密度为0.64～1.40g/cm³，放置于燃烧合成炉内，通入在1～10MPa的氮气或者氮气与氢气的混合气体，然后在高压容器中经点火燃烧合成MgSiN₂粉，在炉内自然冷却，所述的混合气体中，氮气和氢气的体积比为95～98∶5～2。

本发明的优点是：

(1)本发明能制备高性能的MgSiN₂粉体，产物氮化硅镁的氧含量＜0.5％。

(2)合成工艺能耗低，除启动燃烧合成反应外，不需任何能量；

(3)本发明提供的高压容器，无需特殊要求。仅仅是反应物在均匀混合后，松装于碳毡制的直立环状筒或盘状容器中，它们的形状图分别如图1、2所示。

(4)操作方便、产量大、产率高、对环境无污染、适合于规模化生产。适用于制备高强度、高导热的Si₃N₄和AlN基板材料和微电子封装材料的添加剂。

下面通过实施方案进一步阐明本发明的特点。

附图说明

图1是本发明提供的实施例1中采用的碳毡制的直立环状筒。

图2是本发明提供的实施例2中采用的碳毡制的盘状容器。

其中，图中1为钨丝发热体，2为点火剂，3为反应物4为碳毡容器，图1为直立环状，图2为盘状容器。

图3是本发明提供的实施例1合成粉料的XRD图。纵坐标为强度，横坐标为衍射角2θ。

图4是本发明提供的实施例1合成粉料的形貌图。

具体实施方式

实施例1

将硅化镁粉松装于外径φ60mm×内径φ55mm×高60mm碳毡制的直立环状筒(图1所示)中，松装密度为0.75g/cm³，并置于高压容器中，抽真空后充入5.0MPa氮气(纯度99.99％)，经通电点火燃烧合成MgSiN₂粉体，反应时间不超过10分钟，合成后采用自然冷却即得MgSiN₂。合成出的粉料经XRD测定为MgSiN₂，其XRD分析结果如图3所示，产物氧含量为0.323％，合成材料的形貌图如图4所示。

实施例2

将氮化硅粉和硅化镁粉按3.0～4.0∶1混合，将粉末混合均匀后松装于外径φ60mm×内径φ55mm×高60mm碳毡制的直立环状筒(图1所示)中，松装密度为0.70g/cm³，并置于高压容器中，抽真空后充入5.5MPa氮气(纯度99.99％)，经通电点火燃烧合成MgSiN₂粉体，反应时间不超过10分钟，合成后采用自然冷却即得MgSiN₂。合成出的粉料经XRD测定为MgSiN₂，其XRD分析结果如图3所示，产物氧含量为0.357％。

实施例3

将氮化硅粉和硅化镁粉按3.0～4.0∶1混合，将粉末混合均匀后松装于实例1中所用的碳毡制的直立环状筒(图1所示)中，松装密度为0.71g/cm³，并置于高压容器中，抽真空后充入5.5MPa氮气和氢气(纯度99.99％)，经通电点火燃烧合成了MgSiN₂粉体，产物氧含量为0.349％。

实施例4

采用实施例1相同工艺，只是将混合均匀的粉体装于碳毡制的盘状容器(图2)中，其它条件同实施方案1，也能获得高性能的MgSiN₂，产物中的氧含量为0.346％。

实施例5

采用实施例3相同工艺，只是将混合均匀的粉体装于碳毡制的盘状容器(图2)中，其它条件同实施方案1，也能获得高性能的MgSiN₂，产物中的氧含量为0.314％。

从上述五个实施方案可以看出，本发明制备MgSiN₂粉体的工艺，反应迅速、操作方便、产率高，制备的MgSiN₂粉体纯度较高。