硅化钽的主要应用

背景及概述^[1]

金属硅化物有着类似金属的导电性能、高温性能、抗氧化性能和与硅集成电路的生产工艺相容性.过渡金属硅化物可用于低电阻栅门和内连线、肖特基栅、电阻接触。硅化钽制备方法包括：燃烧合成法(combustionsynthesis，CS)或自蔓延高温合成法、电弧熔炼法等。燃烧合成法或自蔓延高温合成法是一种利用元素／化合物反应放热来合成金属间化合物的方法。它具有设备简单、所需能耗低、合成时间短等优点，其主要缺点是反应速度快，过程控制难，容易存在杂相。硅化钽的燃烧合成需要预热才能引发反应实现合成，但存在二硅化物以外的相。电弧熔炼法一般需要较长均匀化时间，同时在熔炼过程中由于挥发造成的硅损失可能导致一些杂相的生成。等离子体喷涂技术因其射流温度高达10000℃，射流速度达300-400m/s，集高温熔化、快速凝固和近净成形等优势于一体，并且该技术不受形状或尺寸限制，易于实现其短流程制备成形，逐渐发展成为一种新型的零部件成形技术，已经被用来制备一些零部件。利用等离子喷涂技术制备将硅化钽粉制成块材，这需要高纯的硅化钽粉末作为原料。因此，如何获得高纯度硅化钽（没有杂相生成）粉末成为关键。

应用^[2-4]

硅化钽具有高熔点、低电阻率、抗腐蚀、抗高温氧化性以及与硅、碳等基体材料具有良好的兼容性等优异性能，作为栅材料、集成电路的连结线路、高温抗氧化涂层等，在电热元件、高温结构部件、电子器件等方面得到了较广泛的研究与应用。其应用举例如下：

1)制备一种氮化硅-硅化钽复合陶瓷材料，所述氮化硅-硅化钽复合陶瓷材料由以下按照重量份的原料组成：氮化硅粉92-98份、硅化钽粉12-15份、钕粉3-6份、氧化铑粉2-5份。本发明制备的氮化硅-硅化钽复合陶瓷材料，气孔率低，该陶瓷材料制品在长时间工作过程中依然能够保持良好的力学性能，使用寿命长，另外，本发明制备的氮化硅-硅化钽复合陶瓷材料断裂韧性高，有利于满足市场对氮化硅陶瓷材料日益提高的性能要求。

2）制备硅化钽涂层，所述方法包括：采用粒径范围为10~120微米，纯度大于95wt%的硅化钽粉，运用真空等离子体喷涂工艺或低压等离子体喷涂工艺将硅化钽粉喷涂于预处理的耐高温基体材料表面，即得硅化钽涂层，所述等离子体喷涂工艺的参数为：等离子体气体Ar：30-50slpm；等离子体气体H2：8-18slpm；粉末载气Ar：1.5-5slpm；喷涂距离：100-350mm；喷涂功率：30-58kW；送粉速率：8-30g·min-1；喷涂压力：100-800mbar。

3）制备一种碳/碳复合材料基硅化钽/碳化硅涂层，组分有硅化钽、碳化硅、硅和少量的过渡金属碳化物，其制备时利用二次包埋法在经打磨抛光后的碳/碳复合材料表面直接包埋沉积碳化硅涂层，再用包埋法在已沉积了碳化硅涂层的碳/碳复合材料表面沉积制备硅化钽外涂层。本发明可有效利用硅化钽的高温抗氧化性能，提高碳/碳复合材料的使用温度，填补国内外在碳/碳复合材料基硅化钽涂层研究方面的空白，并为以后碳/碳复合材料在该领域更高温度长时间的使用打下基础。

制备^[5]

TaSi2粉末制备方法包括如下步骤：将-500目硅粉和-300目钽粉按TaSi2的化学计量比称重。这里为了获得高纯度的产品，需要选用高纯度的硅粉和钽粉，比如纯度99.95或99.99%。选用-500目硅粉与-300目钽粉配合是为了更好地使硅与钽混合均匀，使钽颗粒被硅颗粒包围，有利于在后面燃烧合成的步骤中使硅和钽之间更容易接触反应。使用化学计量配比是为了得到TaSi2相。在都使用-200目或-300目硅粉和钽粉的情况下，难以获得完全的单相TaSi2相粉末，总会少量的Ta5Si3相。使用粒度更小的原料粉末能够使反应更加完全，但这增加粉末氧含量，反而会阻碍合成反应。具体步骤如下：将-500目硅粉23.6克和-300目钽粉76.4克称重；加入占硅粉和钽粉重量0.5克的NH4Cl粉末；将上述粉末球磨，球料比8：1，球磨时间12小时；将球磨后的粉末装入碳化硅坩埚中，放在振动台上振实到相对密度为40%；将装粉末的坩埚装入合成炉中，抽真空后充入氩气，以每分钟20℃升温至650℃，用钨丝通电引燃硅化钽合成反应；冷却后用氧化锆球和罐破碎得到最终粉末产品，经XRD检测全部为硅化钽相。

主要参考资料

[1] CN201610534377.4一种高纯硅化钽粉末制备方法

[2] CN201610124268.5一种氮化硅-硅化钽复合陶瓷材料及其制备方法

[3] CN201410126013.3一种制备硅化钽涂层的方法

[4] CN200610091392.2碳/碳复合材料基硅化钽/碳化硅涂层及其制备方法

[5] CN201610534377.4一种高纯硅化钽粉末制备方法