JPS6112844B2 - - Google Patents

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JPS6112844B2
JPS6112844B2 JP54000751A JP75179A JPS6112844B2 JP S6112844 B2 JPS6112844 B2 JP S6112844B2 JP 54000751 A JP54000751 A JP 54000751A JP 75179 A JP75179 A JP 75179A JP S6112844 B2 JPS6112844 B2 JP S6112844B2
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JP
Japan
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silicon nitride
ammonia
nitrogen
temperature
gas
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JP54000751A
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JPS5595605A (en
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Kyoshi Kasai
Koji Tsukuma
Takaaki Tsukidate
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Tosoh Corp
Original Assignee
Toyo Soda Manufacturing Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/068Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/087Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals containing one or more hydrogen atoms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/01Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03Particle morphology depicted by an image obtained by SEM

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は高純度窒化珪素及びその製造法に関す
るものである。窒化珪素は周知の通り1)機械的
強度及び硬度が非常に大きく高温においても強度
低下が小さい。2)熱衝撃に強く耐火度も大き
い。3)熱伝導度が比較的大きい。4)熱膨張率
が非常に小さい。5)化学的に安定で耐食性が大
きい。6)電気絶縁性が大きいなどの性質を具備
している。このため、その用途は金属製練,窯
業,機械工業用などの高級耐火物,耐食材料,耐
摩耗材料,電気絶縁材料などに広く使用されてい
る。 近年特に極めて広い範囲の温度域に亘つて高強
度で、良好な耐熱的,耐機械的衝撃性が要求され
るガスタービンのような高温材料の原料として窒
化珪素は注目されている。 一般に窒化珪素焼結体を高温高応力材料として
実用に供する場合には、高温時における物理的、
化学的安定性が厳しく要求される。 窒化珪素焼結体にとつて重要な因子である熱
的,機械的特性は焼結体の出発原料の種類,純
度,結晶型,粒子径,粒子形状に大きく影響され
るが、特に前記した特性を満足させる為には微細
な、高純度α型窒化珪素粉末が望まれている。 窒化珪素粉末の製造は一般に 1 シリカ粉末と黒鉛粉末とを窒素雰囲気にて加
熱し、該黒鉛粉末によりシリカ粉末を還元し、
活性なシリコン含有蒸気を生成して窒素と反応
せしめる、いわゆるシリカ還元法がある。しか
し、この方法にあつては得られる生成物はα型
窒化珪素,β型窒化珪素,酸窒化珪素及び炭化
珪素などの混合系で得られやすく高純度なα型
を常に得ることは困難である。また、 2 金属ケイ素粉末を成形後、窒素またはアンモ
ニア気流中で加熱しつつ、窒素ガス圧等を制御
して1500℃以下の温度でシリコン粉末を直接窒
化する方法がある。この方法にて得られる窒化
珪素はβ型窒化珪素を多く含みまた微細な粉末
は得られにくいこと、かつ、微細な粉末を得る
には長時間の粉砕を必要とし、粉砕過程での不
純物の混入が避けられず、高純度,高強度の窒
化珪素焼結体の製造原料としては不適当であ
る。この他(3)ハロゲン化珪素とアンモニアとの
高温度気相反応で得る方法がある。この方法は
比較的高純度のα型窒化珪素が得られるが、薄
膜の製造に限られ焼結用原料粉末製造には適さ
ない。 4 一方、シリコンイミドを窒素,ルゴンなどの
不活性雰囲気中で熱分解する通常の方法では、
微細なα型窒化珪素粉末が容易に得られるが、
例えばハロゲン化珪素を原料として得たシリコ
ンイミドを熱分解の原料として使用した場合、
不純物として塩素の含有が避けられず、これを
焼結する場合製品の緻密化を妨害することが致
命的欠点となる。 本発明者らは、上記欠点を改善した高純度窒
化珪素及びその製造法を開発すべく鋭意研究し
た結果、本発明を完成したものである。 即ち本発明は、高密度,高純度の窒化珪素焼
結体の製造原料として好適な塩素含有量の極め
て低い、かつ窒素含有率の高い高純度窒化珪素
粉末およびその製造法を提供するものである。
以下、本発明を詳細に説明する。 本発明の製造法で得られる高純度窒化珪素粉
末は、塩素含有率0.05重量%以下、窒素含有率
が38重量%以上の窒化珪素粉末である。そして
この窒化珪素粉末を原料として窒化珪素焼結体
を製造した場合、極めて優れた高温強度,耐熱
衝撃性,化学的安定性を有する高密度,高強度
の窒化珪素焼結体を得ることができる。 次に本発明の製造法について説明する。 本発明の製造法は含窒素シラン化合物をアン
モニア含有ガス雰囲気下で熱処理し、得られた
た粉末を熟成して窒化珪素を得ることを特徴と
するものである。ここで、本発明に用いられる
含窒素シラン化合物とは、テトラアミドモノシ
ランSi(NH24,シリコンイミドSi(NH)2等で
ある。 本発明では、四塩化珪素とアンモニアとを不
活性雰囲気下、例えば窒素,アルゴン雰囲気
中、気相で0〜70℃、好ましくは10℃〜30℃の
温度で反応してえられた含窒素シラン化合物と
塩化アンモニウムとの混合物を原料として用い
る。四塩化珪素とアンモニアガスとの反応は、
前述の様に比較的温和な温度範囲で行なうの
で、生成シラン化合物へのアンモニアの吸着等
もなく、又、反応率も高いので用いる四塩化珪
素とアンモニアガスは、化学量論量で充分であ
る。勿論これらは連続的に反応層に尊入してシ
ラン化合物を合成しても良い。 四塩化珪素とアンモニアガスとの接触時間
は、これからシラン化合物が生成するに充分な
時間が必要であるが、これらは前記した温度範
囲内で比較的速やかに反応しシラン化合物を生
成する。 本発明は、この様な合成法で得たシラン化合
物を、アンモニア含有雰囲気中で加熱する事が
特徴である。 本発明で言うアンモニア含有雰囲気とは、ア
ンモニアガス単独又は、アンモニアガスと不活
性ガスとの混合ガス例えばアンモニア−窒素,
アンモニア−アルゴン,更にアンモニア−水素
等の混合ガスを意味し、アンモニアを含む事を
必須とするものである。アンモニアガスと他の
ガスとの混合ガスを用いる場合、これらの割合
は特に制限されるものではないが、アンモニア
ガス過剰で用いる事が好ましい。 前述の方法で得た含窒素シラン化合物のアン
モニア含有雰囲気下における加熱処理は、炉内
にアンモニア含有ガスを供給し400℃以上、好
ましくは600℃以上の温度下で行う。処理温度
が400℃未満では、シラン化合物に混在する塩
素の除去が不完全であり、得られた窒化珪素粉
末中に結合塩素を含むので好ましくない。この
際の加熱処理時間は、処理温度が高温度では比
較的短くて良く又低温度では長い時間必要であ
るが、加熱処理によつて生成する副生成、例え
ば塩化水素の生成が停止するまでの時間が一応
の目安となる。 又、加熱処理中、アンモニアはシラン化合物
の熱分解に消費されるに充分な量供給する事が
必要であり、又、アンモニア含有ガスは反応系
に流通させる事が、副生物を除去する上でも好
ましい。含窒素シラン化合物の加熱処理温度及
び後述する熟成温度の上限は、特に制限される
ものではないが、必要以上の高温度は熱経済の
上からも好ましくない。 上記加熱処理で得られた粉末を更にそのまま
の雰囲気下、又は不活性雰囲気下1000℃〜1200
℃で熟成する事により非晶質窒化珪素を、又
1200℃〜1600℃で熟成する事によりα型窒化珪
素(α相含有率95%以上)を、更に1600℃以上
で熟成する事によりβ型含有窒化珪素を得る。
シラン化合物の加熱処理、及び熟成は同じ温度
で同時に行なうことも出来る。 前述した様に熟成の温度を調節することによ
つて夫々の結晶型を持つ窒化珪素を得ることが
出来る。熟成時間は特に制限されるものではな
い。 また、本発明において炉内にアンモニア含有
ガスを供給し、含窒素シラン化合物を加熱処理
する場合、および該加熱処理で得た窒化珪素を
熟成し窒化珪素を製造する場合に用いる炉は、
非酸化物材料、例えば窒化珪素,炭化珪素など
で形成された炉を用いることが望ましい。以上
の条件によつてはじめて塩素含有率0.05重量%
以下、窒素含有率38%以上の高純度窒化珪素粉
末を得ることができる。 従つてこれを原料として窒化珪素焼結体とし
た場合、その焼結体は化学的,物理的に安定
で、特に高強度を発揮するため高強度,信頼性
を要求される高温ガスタービン用の窒化珪素焼
結体の原料として有用である。 以下本発明の実施例を示すが本発明はこれに
限定されるものではない。 比較例1 実施例1 二重仕込管を用い外管に窒素ガスを搬送ガスと
した四塩化珪素飽和蒸気(25℃)を33g/hrで、
又内管にアンモニアガスを20g/hrの速度で夫々
流し、水冷で10℃に保つた反応管(60m/mφ×
250m/m)に導入し、両者を連続的に反応させ
生成した微粉体を窒素ガスにより搬送し、反応管
下部の容器に補集した。窒化珪素にて形成された
50m/mφの管状炉に上記生成物20gを充填し、
窒素−水素混合ガス下で200℃/hrで昇温させ、
下記第1表に示す温度に到達後アンモニアガスを
導入し、過剰のアンモニアガスが排出する程度に
流通させながらその温度下で、2時間保持後アン
モニア導入を止め、1300℃まで昇温し2時間保持
して生成物を得た。生成物の粒度は径0.1〜0.5μ
であつた。この生成物粉末の塩素含有率、窒素含
有率、α相含有率を調べた結果を第1表に示し
た。(尚塩素は、比色分析により求めた。)
【表】 実施例2 比較例2,3 実施例1と同様な方法で得た含窒素シラン化合
物を下記第2表に示す3種の雰囲気下で200℃/
hrで昇温させ、1100℃の温度下で2時間保持して
夫々3種の生成物を得た。これらの生成粉末の塩
素含有率,窒素含有率,ケイ素含有率,X線回折
により構成相を調べたその結果を第2表に示し
た。
【表】 実施例3,4 比較例4,5 実施例1と同様な方法で得た含窒素シラン化合
物を、下記第3表に示す3種の雰囲気下で200
℃/hrで昇温させ1400℃の温度下で2時間保持し
て夫々4種の生成粉末を得た。これらの生成粉末
中の塩素含有率,窒素含有率,α相含有率を調べ
た結果を第3表に示した。
【表】
【表】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 四塩化珪素とアンモニアとを不活性雰囲気
    下、気相で、0〜70℃で反応させて得られた含窒
    素シラン化合物と塩化アンモニウムとの混合物
    を、アンモニアの存在下で400℃以上で加熱処理
    することを特徴とする、高純度窒化珪素の製造
    法。
JP75179A 1979-01-10 1979-01-10 High purity silicon nitride and production thereof Granted JPS5595605A (en)

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