DE10050775A1 - Hot tube gas phase pyrolysis of organosilicon compounds to give silicon carbide/nitride powders involves high flow speed and high turbulence mixing with one inflow below precursor decomposition temperature and other above - Google Patents
Hot tube gas phase pyrolysis of organosilicon compounds to give silicon carbide/nitride powders involves high flow speed and high turbulence mixing with one inflow below precursor decomposition temperature and other aboveInfo
- Publication number
- DE10050775A1 DE10050775A1 DE10050775A DE10050775A DE10050775A1 DE 10050775 A1 DE10050775 A1 DE 10050775A1 DE 10050775 A DE10050775 A DE 10050775A DE 10050775 A DE10050775 A DE 10050775A DE 10050775 A1 DE10050775 A1 DE 10050775A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- gas
- hot tube
- silicon carbide
- decomposition temperature
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000002156 mixing Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000002243 precursor Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 title claims description 20
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 10
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title description 9
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 8
- 150000003961 organosilicon compounds Chemical class 0.000 title 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 claims description 19
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 16
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 9
- FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisilazane Chemical compound C[Si](C)(C)N[Si](C)(C)C FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 [(CH 3 ) 3 Si] 2 NH Chemical class 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 208000012868 Overgrowth Diseases 0.000 description 1
- CKUAXEQHGKSLHN-UHFFFAOYSA-N [C].[N] Chemical compound [C].[N] CKUAXEQHGKSLHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 210000003608 fece Anatomy 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000004482 other powder Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 1
- FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N silanamine Chemical class [SiH3]N FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LCHWKMAWSZDQRD-UHFFFAOYSA-N silylformonitrile Chemical class [SiH3]C#N LCHWKMAWSZDQRD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/06—Binary 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
- C01B21/068—Binary 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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/90—Carbides
- C01B32/914—Carbides of single elements
- C01B32/956—Silicon carbide
- C01B32/963—Preparation from compounds containing silicon
- C01B32/977—Preparation from organic compounds containing silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
- C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
- C04B35/571—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
- C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
- C04B35/589—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
- C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/51—Particles with a specific particle size distribution
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/60—Particles characterised by their size
- C01P2004/62—Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/60—Particles characterised by their size
- C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/80—Compositional purity
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulver aus metallorgani schen Substanzen mittels Heißrohrpyrolyse über den Gasphasen prozeß, indem in einem Heißrohrreaktor mit einer eingebauten Gaszuführung Gase unterschiedlicher Temperatur gezielt ver mischt werden.The invention relates to a method for producing of silicon carbide-silicon nitride powder from organometallic substances by means of hot tube pyrolysis over the gas phases process by built in a hot tube reactor with a Gas supply Verify gases of different temperatures to be mixed.
Metallorganische Substanzen werden in vielerlei Hinsicht als Precursoren (Vorlaufstoffe) zur Werkstoffherstellung genutzt. Sowohl für Prozesse der chemischen Dampfablagerung (engl. Kurzf. CVD) zur Bildung keramischer Schichten und Überzüge, als auch für kompaktes keramisches Material sind diese Sub stanzen besonders geeignet, da in ihnen das spätere Netzwerk der beteiligten Elemente vorgeprägt ist. Für die Herstellung einer Si-C-N-Kompositkeramik, welche eine Mischung von SiC und Si3N4-Phasen darstellt, werden vor allem organische Sili ziumverbindungen benutzt. Entsprechend der Möglichkeit, diese Verbindungen vor einer thermischen Zersetzung zu verdampfen, lassen sich diese Verbindungen in der Gasphase pyrolysieren. Dafür sind Verbindungen verwendbar, wie z. B. in DE 35 10 264 A1, Yogyo Kyokaishi 95 (1987) oder J. of Materials Science 28 (1993) beschrieben. Durch Überführung einer organischer Sili ziumverbindungen in die Dampfform und Vermischung des Dampfes mit einem Trägergas und einem reaktiven Gas bilden sich durch Erwärmung amorphe feine Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulver, welche entsprechend der Konzentration des reaktiven Gases va riierte Gehalte an Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff ent halten und das geeignete Rohmaterial für die Herstellung von Si-C-N-Kompositkeramiken darstellen.Organometallic substances are used in many ways as precursors for the manufacture of materials. These substances are particularly suitable for processes of chemical vapor deposition (English: CVD) for the formation of ceramic layers and coatings, as well as for compact ceramic material, since the subsequent network of the elements involved is pre-shaped in them. For the production of a Si-CN composite ceramic, which is a mixture of SiC and Si 3 N 4 phases, mainly organic silicon compounds are used. According to the possibility of evaporating these compounds before thermal decomposition, these compounds can be pyrolyzed in the gas phase. Connections can be used for this, e.g. B. in DE 35 10 264 A1, Yogyo Kyokaishi 95 (1987) or J. of Materials Science 28 (1993). By converting an organic silicon compound into the vapor form and mixing the vapor with a carrier gas and a reactive gas, amorphous fine silicon carbide-silicon nitride powders are formed by heating, which contain varying amounts of silicon, carbon and nitrogen in accordance with the concentration of the reactive gas and represent the suitable raw material for the production of Si-CN composite ceramics.
Bekannte Beispiele für eine organische Siliziumverbindung, die verwendet wird zum Synthetisieren eines amorphen Silizi umkarbid-Siliziumnitrid-Pulvers, sind verdampfbare Verbindun gen, so z. B. Silazanverbindungen, wie [(CH3)3Si]2NH, [(CH3)2SiNH]3, [HSi(CH3)2]2NH, [(CH3)3Si]3NCH3 und [(CH3)2SiNCH3] oder andere cyclische oder längerkettige oder Mischungen ver schiedener Silazanverbindungen, Aminosilanverbindungen, wie CH3Si(NHCH3)3, (CH3)2Si(NHCH3)2 und (CH3)2Si[N(CH3)2], Cyanosilan verbindungen, wie (C6H5)3SiCN und (CH3)3SiCN oder Alkoxysilan verbindungen. Beispiele des Trägergases sind nicht- oxidierende Gase, wie Stickstoff oder Argon. Als Gase zur Re gulierung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehaltes in den Si liziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulvern können Ammoniak oder Was serstoff zum Einsatz kommen.Known examples of an organic silicon compound used to synthesize an amorphous silicon carbide silicon nitride powder are vaporizable compounds, e.g. B. silazane compounds such as [(CH 3 ) 3 Si] 2 NH, [(CH 3 ) 2 SiNH] 3 , [HSi (CH 3 ) 2 ] 2 NH, [(CH 3 ) 3 Si] 3 NCH 3 and [ (CH 3 ) 2 SiNCH 3 ] or other cyclic or longer-chain or mixtures of various silazane compounds, aminosilane compounds such as CH 3 Si (NHCH 3 ) 3 , (CH 3 ) 2 Si (NHCH 3 ) 2 and (CH 3 ) 2 Si [ N (CH 3 ) 2 ], cyanosilane compounds, such as (C 6 H 5 ) 3 SiCN and (CH 3 ) 3 SiCN or alkoxysilane compounds. Examples of the carrier gas are non-oxidizing gases such as nitrogen or argon. Ammonia or hydrogen can be used as gases for regulating the carbon and nitrogen content in the silicon carbide-silicon nitride powders.
Die Herstellung von Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulvern aus dem Gasphasenprozeß erfolgt nach verschiedenen bekannten Prinzipien, die sich bezüglich der thermischen Anregung in 3 Grundtypen einordnen lassen: Plasma-, Laser- und Heißrohrpy rolyse. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die im allge meinen energetisch und apparatetechnisch günstige Heißrohrpy rolyse.The manufacture of silicon carbide silicon nitride powders the gas phase process takes place according to various known Principles that are related to thermal excitation in 3 Classify basic types: plasma, laser and hot tube py rolyse. The present invention relates to the general my energetically and apparatus technically favorable hot tube py rolyse.
Eine bekannte Möglichkeit der Durchführung der Heißrohrpyro lyse wird mittels langsamer Durchströmung eines Gasgemisches (organische Siliziumverbindung/Träger-/Reaktionsgas) durch ein heißes Rohr in DE 35 16 589 A1, DE 35 10 264 A1 und DE 690 15 882 T2 beschrieben. Wobei das Gasgemisch so langsam durch das heiße Rohr strömt, daß es sich auf Reaktionstempe ratur erwärmen und zur Umsetzung zu Pulver gebracht werden kann. Die Durchströmung in dem Rohr aus temperaturbeständigem Material kann durch Einbauten geführt oder/und durch senk rechte bzw. waagerechte Anordnung des heißen Rohres beein flußt werden.A known way of performing the hot tube pyro lysis is achieved by slowly flowing through a gas mixture (organic silicon compound / carrier / reaction gas) by a hot tube in DE 35 16 589 A1, DE 35 10 264 A1 and DE 690 15 882 T2. The gas mixture being so slow flows through the hot tube so that it is at reaction temperature Warm up and bring to powder for implementation can. The flow in the tube from temperature-resistant Material can be led through internals and / or through vertical right or horizontal arrangement of the hot pipe affected to be flowed.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist das wechsel seitige Auftreten schichtenartiger Abscheidungen durch CVD- Vorgänge und Partikelniederschlag infolge langsamer Strö mungsvorgänge. Dies führt zu raschen Anwachsungen in dem hei ßen Rohr, welche durch sich stellenweise auch ablösen. Es finden sich daher im Pulver Anteile grober Partikel, die der sonstigen Partikelgrößenverteilung (0.01-5 µm) nicht zuzu ordnen sind (genannt Makropartikel). Die Makropartikel haben im Vergleich zu dem sonstigen Pulver abweichende chemische und physikalische Eigenschaften und wirken im keramischen Werkstoff eigenschaftsschädigend, insbesondere bzgl. Bruchfe stigkeit. Sie können nicht oder nur aufwendig wieder aus dem Pulver entfernt werden. Außerdem wird die Pyrolyse begrenzt durch ein Zuwachsen des heißen Rohres.A major disadvantage of this process is the change mutual occurrence of layer-like deposits by CVD Processes and particle precipitation due to slow flows tion processes. This leads to rapid growth in the hot outer tube, which also detach itself in places. It There are therefore parts of coarse particles in the powder that the other particle size distribution (0.01-5 µm) not too order (called macroparticles). The macro particles have chemical differs from the other powder and physical properties and act in ceramic Material damaging to properties, especially with regard to breakage stigkeit. You can not or only elaborately Powder are removed. Pyrolysis is also limited by an overgrowth of the hot pipe.
Weitere Nachteile dieser Erfindung bestehen in der schwieri gen Einstell- und Reproduzierbarkeit von Eigenschaften der Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulver (z. B. Partikelgrößenver teilung, C/N-Verhältnis) infolge Temperatur- und Strömungs schwankungen.Further disadvantages of this invention reside in the difficulty adjustability and reproducibility of properties of the Silicon carbide silicon nitride powder (e.g. particle size ver division, C / N ratio) due to temperature and flow fluctuations.
Eine weitere bekannte Möglichkeit der Durchführung der Heiß rohrpyrolyse wird gegeben mit dem Einbringen des Gasgemisches (organische Siliziumverbindung/Träger-/Reaktionsgas) mit ei nem Nadelventil eingangs eines heißen Rohres in ein Vakuum, wie in Nanostructured Materials 4 (1994) beschrieben. Die Ab scheidung des entstehenden Siliziumkarbid-Siliziumnitrid- Pulvers erfolgt dabei ausgangs des heißen Rohres an einem kalten Substrat und Abstreifer.Another well known way of performing the hot Tube pyrolysis is given with the introduction of the gas mixture (organic silicon compound / carrier / reaction gas) with egg a needle valve entering a hot pipe into a vacuum, as described in Nanostructured Materials 4 (1994). The Ab separation of the resulting silicon carbide silicon nitride Powder takes place at the outlet of the hot tube cold substrate and wipers.
Wesentliche Nachteile dieses Verfahrens sind sehr geringe Durchsatzleistungen von nur einigen Milligramm pro Minute und der notwendige hohe apparative Aufwand für die Partikelab scheidung. Außerdem kann die Abscheidung von Schichten und Partikeln in dem heißen Rohr auch bei diesem Verfahren nicht vermieden werden.The main disadvantages of this method are very minor Throughputs of just a few milligrams per minute and the necessary high equipment expenditure for the particles divorce. Deposition of layers and No particles in the hot tube in this process either be avoided.
Eine weitere bekannte Möglichkeit der Durchführung der Heiß rohrpyrolyse ist gegeben mit dem Einblasen einer organischen Siliziumverbindung mittels Ultraschalldüse in ein Gemisch aus reaktivem Gas und nicht-oxidierendem Gas, wie in J. of Mat. Science 28 (1993) beschrieben. Es entstehen dadurch eingangs des heißen Rohres Tropfenverteilungen der organischen Silizi umverbindung. Diese unterliegen beim Durchströmen des heißen Rohres der Pyrolyse. Die Abscheidung erfolgt in einem gekühl ten Pulversammelbehälter.Another well known way of performing the hot Tube pyrolysis is given by blowing in an organic one Silicon compound by means of an ultrasonic nozzle in a mixture reactive gas and non-oxidizing gas as described in J. of Mat. Science 28 (1993). This creates initially of the hot pipe drop distributions of the organic silicon umverbindung. These are subject to the flow of hot water Pipe of pyrolysis. The separation takes place in a cool powder container.
Wesentliche Nachteile dieses Verfahrens bestehen in einer ge ringen Durchsatzleistung und der fehlenden Einstellbarkeit von genauen Konzentrationsverhältnissen der organischen Sili ziumverbindung und dem reaktiven Gas zur definierten Beein flussung des Kohlenstoff-Stickstoff-Gehaltes in dem Silizium karbid-Siliziumnitrid-Pulver. Außerdem hängt die Partikelgrö ßenverteilung der entstehenden Pulver in hohem Maße von den Bedingungen ab, bei welchen die bestehende Tropfenverteilung in dem heißen Rohr erwärmt wird. Das hat den Einfluß zusätz licher unbekannter Parameter auf die Pulverqualität zur Fol ge.The main disadvantages of this method are ge wrestle throughput and the lack of adjustability of exact concentration ratios of the organic sili ziumverbindung and the reactive gas to defined leg Flow of the carbon-nitrogen content in the silicon carbide-silicon nitride powder. The particle size also depends The distribution of the resulting powders largely depends on the Conditions under which the existing drop distribution is heated in the hot tube. This has the additional influence unknown unknown parameters on the powder quality ge.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Siliziumkarbid- Siliziumnitrid-Pulver aus organischen Siliziumverbindungen mittels Heißrohrpyrolyse mit stabilen Temperatur- und Strö mungsverhältnissen, das die Entstehung verfahrensbedingter Makropartikel ausschließt. Die entstehenden Siliziumkarbid- Siliziumnitrid-Pulver müssen dabei die üblichen Partikelgrö ßenverteilungen der Primärpartikel im Bereich von 0.01 bis 1 µm und bei Suspensionsmessungen der Agglomerate im Bereich von 0.1 bis 5 µm aufweisen. In dem Verfahren soll das Konzen trationsverhältnis der organischen Siliziumverbindung zu dem reaktiven Gas veränderbar sein, um das C/N-Verhältnis der Si liziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulver definiert einstellen zu können.The object of the invention is therefore to develop of a process for the production of silicon carbide Silicon nitride powder made from organic silicon compounds by means of hot tube pyrolysis with stable temperature and flow conditions, the emergence of procedural Excludes macroparticles. The resulting silicon carbide Silicon nitride powder must have the usual particle size External distributions of the primary particles in the range from 0.01 to 1 µm and in suspension measurements of the agglomerates in the area have from 0.1 to 5 µm. In the process, the Konzen ratio of the organic silicon compound to the reactive gas to be changeable to the C / N ratio of the Si silicon carbide-silicon nitride powder defined to set can.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by that described in the claim Procedure solved. Advantageous further refinements of the Procedures are described in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Silizium karbid-Siliziumnitrid-Pulver mittels Heißrohrpyrolyse von or ganischen Siliziumverbindungen besteht darin, daß ein Ge misch, bestehend aus einer verdampften organischen Silizium verbindung und einem nicht-oxidierenden Gas (z. B. N2 oder Ar) mit einem, auf eine festgelegte Temperatur erwärmten Gasge misch, bestehend aus einem reaktiven Gas (z. B. NH3 oder H2) und einem nicht-oxidierenden Gas, vermischt wird. Das reakti ve Gas wird dabei konzentrationsabhängig zur Regulierung des Kohlen- und Stickstoffgehaltes in dem Siliziumkarbid- Siliziumnitrid-Pulver eingesetzt.The inventive method for the production of silicon carbide-silicon nitride powder by hot tube pyrolysis of organic silicon compounds is that a mixture consisting of a vaporized organic silicon compound and a non-oxidizing gas (e.g. N 2 or Ar) with a gas mixture heated to a predetermined temperature, consisting of a reactive gas (e.g. NH 3 or H 2 ) and a non-oxidizing gas, is mixed. The reactive gas is used depending on the concentration to regulate the carbon and nitrogen content in the silicon carbide-silicon nitride powder.
Insbesondere besteht das unter Normaldruck arbeitende Verfah ren in der Zuführung eines Gemisches, bestehend aus einer dampfförmigen organischen Siliziumverbindung und einem Trä gergas (N2) durch ein inneres Rohr (Zuführungsrohr) in ein äußeres heißes Rohr, das eine definiert eingestellte Tempera tur aufweist. Das Gasgemisch, bestehend aus der dampfförmigem organischen Siliziumverbindung und dem Trägergas wird unter Verwendung einer brennerartigen Vermischungseinheit aus dem inneren Rohr durch Verteiler nach außen geführt und dadurch mit einem, in dem äußeren heißen Rohr zugeführten Träger-/Reaktions gasgemisch turbulent vermischt. Das Gasgemisch in dem inneren Rohr wird auf eine Temperatur oberhalb der Siede temperatur, jedoch unterhalb der Zersetzungstemperatur der organischen Siliziumverbindung vorgewärmt. Das im äußeren Rohr zugeführte Gasgemisch besitzt dabei eine eingestellte Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur der organischen Siliziumverbindung, jedoch unterhalb von 1400°C. Erreicht kann dies werden durch die Positionierung der brennerartigen Vermischungseinheit vor die Zone der höchsten Temperatur des heißen Rohres, so, daß die Temperatur auf dem axialen Tempe raturprofil der Zersetzungstemperatur der organischen Silizi umverbindung gerade noch nicht entspricht. Das axiale Tempe raturprofil des heißen, äußeren Rohres wird durch die Anord nung von Wicklungen einer Widerstandsheizung bestimmt, welche außen auf das heiße Rohr aufgebracht sind und soll in seinem Verlauf entlang der Rohrachse ein erst ansteigendes und nach der Zone der höchsten Temperatur fallendes Profil darstellen.In particular, the process operating under normal pressure consists in supplying a mixture consisting of a vaporous organic silicon compound and a carrier gas (N 2 ) through an inner tube (feed tube) into an outer hot tube which has a defined set temperature. The gas mixture, consisting of the vaporous organic silicon compound and the carrier gas, is fed out of the inner tube through distributors using a burner-like mixing unit and is thereby mixed turbulently with a carrier / reaction gas mixture supplied in the outer hot tube. The gas mixture in the inner tube is preheated to a temperature above the boiling point, but below the decomposition temperature of the organic silicon compound. The gas mixture supplied in the outer tube has a set temperature above the decomposition temperature of the organic silicon compound, but below 1400 ° C. This can be achieved by positioning the burner-like mixing unit in front of the zone of the highest temperature of the hot tube, so that the temperature on the axial temperature profile of the decomposition temperature of the organic silicon compound does not yet correspond. The axial temperature profile of the hot, outer tube is determined by the arrangement of windings of a resistance heater which are applied to the outside of the hot tube and is intended to represent a rising and falling profile after the zone of highest temperature in its course along the tube axis.
Durch die getrennte Gaszuführung wird das Trägergas-/Reaktions gasgemisch über das heiße Rohr separat vom organi schen Siliziumverbindungsdampf/Trägergasgemisch erwärmt und mit dem, bei niedrigerer Temperatur vorliegenden organischen Siliziumverbindungsdampf/Trägergasgemisch durch die bren nerartigen Vermischungseinheit mit hoher Turbulenz zusammen geführt. Die innige Vermischung bewirkt die Erwärmung des Dampfes der organischen Siliziumverbindung auf Temperaturen oberhalb seiner Zersetzungstemperatur, so daß Pyrolyse und Pulverbildung gezielt ablaufen können.Due to the separate gas supply, the carrier gas / reaction gas mixture via the hot tube separately from the organi silicon compound vapor / carrier gas mixture heated and with the organic present at a lower temperature Silicon compound vapor / carrier gas mixture through the bren ner-like mixing unit with high turbulence guided. The intimate mixing causes the heating of the Vapor of the organic silicon compound at temperatures above its decomposition temperature, so that pyrolysis and Powder formation can take place in a targeted manner.
Das heiße Rohr, die brennerartige Vermischungseinheit und das Zuführungsrohr bestehen aus temperaturbeständigem Material, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid. Die genannte brennerartige Vermischungseinheit ist konstruktiv so ausge führt, daß die Zusammenführung der beiden Prozeßgase ver schiedener Temperatur entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver fahren möglichst schnell und intensiv, d. h. mit hoher Turbu lenz erfolgt. Vorteilhafterweise ist die konstruktive Gestal tung der Form von Brennern ohne Vormischung beim Einsatz von Brenngas und Luft ähnlich, wie sie in verschiedenen Indu strieanwendungen verwendet werden, z. B. Lanzen- oder Mün dungsmischbrenner. Aufgrund der kurzen Flammenlänge und der extrem schnellen Vermischung ist beispielsweise das Prinzip des Drallbrenners sehr günstig.The hot pipe, the burner-like mixing unit and that Feed pipe are made of temperature-resistant material, preferably aluminum oxide or silicon carbide. The said burner-like mixing unit is so designed leads that the combination of the two process gases ver different temperature according to the Ver drive as fast and intensive as possible, d. H. with high turbu lenz takes place. The constructive shape is advantageous the shape of burners without premix when using Fuel gas and air similar to those in different Indu line applications are used, e.g. B. lance or coin dung mixed burner. Because of the short flame length and the extremely fast mixing is the principle, for example of the swirl burner very cheap.
Das Verfahren wird abgeschlossen in der geeigneten Abschei dung der bei der Pyrolyse entstehenden Siliziumkarbid- Siliziumnitrid-Pulver. Dies geschieht beispielsweise durch luftabgeschlossene Behälter mit Zwangsumlenkungen oder das Einleiten in großvolumige, ebenfalls luftabgeschlossene Be hälter, in denen die Pulver sedimentieren können.The procedure will be concluded with the appropriate approval formation of the silicon carbide formed during the pyrolysis Silicon nitride powder. This is done, for example, by air-tight containers with forced deflections or that Introduce into large volume, also air-sealed Be containers in which the powders can sediment.
Die nachfolgenden Beispiele und Abbildungen dienen der Erläu terung der Erfindung, ohne dabei limitierend zu wirken. Es zeigen:The following examples and illustrations serve to explain tion of the invention without being limiting. It demonstrate:
Fig. 1 Prinzip der Zuführung der zu vermischenden Gase, Fig. 1 the principle of supply of the gases to be mixed,
Fig. 2 brennerartige Vermischungseinheit (im Prinzip bekannte Konstruktion), FIG. 2 burner like mixing unit (known in principle construction)
Fig. 3 Partikelgrößenverteilung, Fig. 3 particle size distribution,
Fig. 4 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des erzielten Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulvers. Fig. 4 scanning electron micrograph of the silicon carbide-silicon nitride powder obtained.
Zur Herstellung eines Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulvers wurde Hexamethyldisilazan ([(CH3)3Si]2NH) im N2-Trägergasstrom in der beschriebenen Konstruktion (siehe Fig. 1 und Fig. 2) zum Umsatz gebracht. Zur Regulierung des Kohlenstoffanteils im Pulver wurde NH3 in der Konzentration von 4 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Trägergas-/Reaktionsgasmenge, durch den äuße ren Gasstrom zugesetzt. Die Pyrolysetemperatur betrug 850°C. Der Gesamtvolumenstrom betrug 308 l/h, davon entfielen zur inneren Zuführung 32 l/h und zum äußeren Gasstrom 276 l/h. Die Konzentration an Hexamethyldisilazan wurde mit 1.5 g/min Durchsatz eingestellt und betrug damit in der Pyrolyse eben falls 4 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Trägergas-/Reaktions gasmenge. Das abgeschiedene Pulver besaß einen Koh lenstoffgehalt von 18.45 Ma-%. Die Gehalte an Stickstoff und Silizium wurden dabei mit 23.05 Ma-% bzw. 48.07 Ma-% be stimmt. Der Wasserstoffgehalt betrug 3.02 Ma-%. For producing a silicon carbide-silicon nitride powder hexamethyldisilazane ([(CH 3) 3 Si] 2 NH) in N 2 was brought -Trägergasstrom in the described structure (see FIG. 1 and FIG. 2) for conversion. To regulate the carbon content in the powder, NH 3 was added in a concentration of 4% by volume, based on the total amount of carrier gas / reaction gas, by the external gas stream. The pyrolysis temperature was 850 ° C. The total volume flow was 308 l / h, of which 32 l / h for the inner feed and 276 l / h for the outer gas flow were omitted. The concentration of hexamethyldisilazane was set at a throughput of 1.5 g / min and was therefore also 4 vol.% In the pyrolysis, based on the total amount of carrier gas / reaction gas. The powder deposited had a carbon content of 18.45% by mass. The nitrogen and silicon contents were determined to be 23.05% by mass and 48.07% by mass, respectively. The hydrogen content was 3.02% by mass.
Die Verhältnisse des Gesamtvolumenstroms und der NH3- Konzentration sind entsprechend Beispiel 1 eingestellt wor den. Die Pyrolysetemperatur betrug 950°C und die Konzentra tion von Hexamethyldisilazan wurde mit 2.7 g/min bei 8 Vol.-%, bezogen auf die gesamte Trägergas-/Reaktionsgasmenge, einge stellt. Das so hergestellte Pulver besaß einen Kohlenstoffge halt von 25.01 Ma-%. Die Gehalte an Stickstoff und Silizium wurden hier mit 16,61 Ma-% und 48.15 Ma-% bestimmt. Der Was serstoffgehalt betrug 1.81 Ma-%.The ratios of the total volume flow and the NH 3 concentration have been set in accordance with Example 1. The pyrolysis temperature was 950 ° C. and the concentration of hexamethyldisilazane was set at 2.7 g / min at 8% by volume, based on the total amount of carrier gas / reaction gas. The powder produced in this way had a carbon content of 25.01% by mass. The nitrogen and silicon contents were determined here at 16.61% by mass and 48.15% by mass. The hydrogen content was 1.81 mass%.
Die erfindungsgemäß erzielten Pulver sind röntgenamorph und liegen agglomeriert vor. Suspensionsmessungen der Agglomerat verteilung (Lasergranulometer) zeigen Partikelgrößenvertei lungen zwischen 0,2 und 1 µm (Fig. 3). Beim Absieben mit Prüfsieb von ca. 5 g Pulver bei einer Siebmaschenweite von 5 µm, treten Rückstände von weniger als 2 Ma-% auf. Diese zer fallen bei schonender Ultraschallbehandlung im Bad (z. B. Stu fe 1, 1 min) und lassen sich ebenfalls absieben. Bei einer weiteren Suspensionsmessung zeigt der so behandelte Rückstand angenähert die obige Partikelgrößenverteilung (Fig. 3). Die erzielten Siliziumkarbid-Siliziumnitrid-Pulver bestehen aus Primärpartikeln in der Größe von 0,03-0,8 µm. Ein Bild von den Primärpartikeln eines Siliziumkarbid-Siliziumnitrid- Pulver ist mittels rasterelektronischen Aufnahme gezeigt (Fig. 4).The powders obtained according to the invention are X-ray amorphous and are agglomerated. Suspension measurements of the agglomerate distribution (laser granulometer) show particle size distributions between 0.2 and 1 µm ( Fig. 3). When sieving with a test sieve of approx. 5 g powder with a sieve mesh size of 5 µm, residues of less than 2% by mass occur. These disintegrate with gentle ultrasonic treatment in the bathroom (e.g. step 1, 1 min) and can also be sieved. In a further suspension measurement, the residue treated in this way approximately shows the above particle size distribution ( FIG. 3). The silicon carbide-silicon nitride powders obtained consist of primary particles in the size of 0.03-0.8 µm. An image of the primary particles of a silicon carbide-silicon nitride powder is shown by means of a scanning electronic recording ( FIG. 4).
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10050775A DE10050775A1 (en) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | Hot tube gas phase pyrolysis of organosilicon compounds to give silicon carbide/nitride powders involves high flow speed and high turbulence mixing with one inflow below precursor decomposition temperature and other above |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10050775A DE10050775A1 (en) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | Hot tube gas phase pyrolysis of organosilicon compounds to give silicon carbide/nitride powders involves high flow speed and high turbulence mixing with one inflow below precursor decomposition temperature and other above |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE10050775A1 true DE10050775A1 (en) | 2002-04-18 |
Family
ID=7659661
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE10050775A Withdrawn DE10050775A1 (en) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | Hot tube gas phase pyrolysis of organosilicon compounds to give silicon carbide/nitride powders involves high flow speed and high turbulence mixing with one inflow below precursor decomposition temperature and other above |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10050775A1 (en) |
-
2000
- 2000-10-13 DE DE10050775A patent/DE10050775A1/en not_active Withdrawn
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AT405723B (en) | METHOD FOR PRODUCING FINE-PIECE METAL AND CERAMIC POWDER | |
| DE102013209673B3 (en) | Process and evaporator for the production of synthetic quartz glass | |
| EP2364271B1 (en) | Method and device for the production of high-purity silicon | |
| DE19646094A1 (en) | Process for chemical gas phase infiltration of carbon and refractory materials | |
| EP0568862A1 (en) | Fine metal particles | |
| DE102014212049A1 (en) | Fluidized bed reactor and process for producing polycrystalline silicon granules | |
| EP0650791B1 (en) | Fine particles of metals, alloys and metal compounds | |
| DE4214720A1 (en) | Device for the production of fine-particle metal and ceramic powders | |
| EP3288894B1 (en) | Fluidized bed reactor and method for producing polycrystalline silicon granulate | |
| DE102006034061A1 (en) | Polysilane processing and use | |
| EP2551239A1 (en) | Process for producing polysilicon | |
| EP2391431B1 (en) | Method and device for continuous cleaning of a solid mixture by fractionated sublimation/desublimation | |
| EP2376375A1 (en) | Method for producing high-purity silicon nitride | |
| EP1339638B1 (en) | Method for producing high-purity, granular silicon | |
| DE10243022A1 (en) | Separation of a solid by thermal decomposition of a gaseous substance in a cup reactor | |
| EP0568861B1 (en) | Finely divided non-oxide ceramic powders | |
| DE2124400A1 (en) | Process for the deposition of inorganic coatings from the vapor phase | |
| DE10050775A1 (en) | Hot tube gas phase pyrolysis of organosilicon compounds to give silicon carbide/nitride powders involves high flow speed and high turbulence mixing with one inflow below precursor decomposition temperature and other above | |
| EP0006921A1 (en) | Process for producing silicon carbide powder. | |
| DE3339490C2 (en) | Process for the plasma-chemical production of a finely dispersed powder | |
| DE10020626B4 (en) | Process for the production of silicon carbide from renewable raw materials | |
| EP3026013A1 (en) | Nanocrystalline metal compound powder, method for their preparation and use of same | |
| EP1900425B1 (en) | Method and apparatus for the contamination-free heating of gases | |
| EP4472925A1 (en) | Device and method for the production of silicon carbide | |
| AT217006B (en) | Process for the production of silicon and silicon compounds |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |