CN101333685B - 连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉。将真空炉依次分成三室，分别为装料准备室、碳热还原反应室和冷却卸料室，分别用隔热密封门隔开。三室中分别装有压力表、三通阀门抽气/放气口和进气口，碳热还原反应室上下两侧装有加热炉；石墨坩埚从装料准备室的进料口装入后，通过装料准备室的推杆，能将装料后的石墨坩埚从装料准备室和碳热还原反应室中移动至冷却卸料室。采用三室连续真空炉制备碳化硅晶须，在生产中不需降温停炉，可连续生产，生产效率高，节约能耗；同时采用了多种碳质诱导基底，使碳化硅晶须在多层石墨诱导板或碳纤维诱导基底上沉积生长，实现了高纯度、高产量碳化硅晶须的制备。

Description

连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉

技术领域

本发明涉及一种晶须生成炉，尤其是涉及一种连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉。

背景技术

目前，碳化硅纳米晶须主要应用于增强复合材料。近年来，一维纳米结构的碳化硅半导体材料(如碳化硅纳米晶须、纳米线、纳米棒和纳米纤维等)由于具有独特的电学、光学及力学等性能，在蓝光发光二极管、大功率晶体管等纳米光电子器件的制备、光催化和场电子发射阴极材料等许多领域都有广泛的应用前景，再次受到许多学者的关注。

碳化硅晶须的制备方法有：碳纳米管模板生长法、碳热还原法、激光烧蚀法、电弧放电法、流动催化剂法、微波法、高压釜法和热解有机前驱体法等。目前，合成碳化硅晶须的最主要方法是以固相SiO₂和C为主要原料，在催化剂的作用下，用常规电炉加热，通过高温碳热还原反应获得，或者采用稻壳法制备。生产时将原料装入石墨坩埚内，然后将坩埚放入电炉炉膛，抽真空，在惰性气体保护下，高温加热一段时间，反应结束后降温，再打开电炉，取出坩埚，将混有碳化硅颗粒、碳颗粒或氧化硅的碳化硅晶须混合产物分离，得到晶须。再次生产时，还要重复上述升温降温等步骤。这种生产方式称为间歇式生产。间歇式生产由于不可连续、能量消耗大、产量低、分离困难且晶须质量差等缺点，导致碳化硅晶须的生产成本很高，限制了其大规模的应用。关于碳化硅晶须制备的报道很多，如：西北工业大学黄凤萍等报道的碳化硅晶须生成炉及生产碳化硅晶须的方法(专利申请号：200510042914.5)，青岛理工大学戴长虹等使用自身具有孔洞的固体碳质材料和硅质材料作原料，利用双重加热技术使反应原料升温至反应温度制备晶须(专利申请号：200510200132.X)。国外方面，SiC晶须在美国、日本等发达国家早已工业化生产，在我国只有小规模化生产，所用晶须主要依赖进口，进口价格不仅很贵而且进口数量受到限制，在很大程度上限制了国内复合材料的研究和开发，所以低成本、连续、大规模生产SiC纳米晶须具有重要的社会经济效益。

发明内容

为了解决用现有的工业真空电炉不能连续制备碳化硅晶须问题，本发明的目的在于提供一种连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉，在碳化硅晶须制备中不需降温停炉，可连续生产，生产效率高，节约能耗。

本发明采用的技术方案是：

将真空炉依次分成三室，分别为装料准备室、碳热还原反应室和冷却卸料室，装料准备室、碳热还原反应室间用第一隔热密封门隔开，碳热还原反应室和冷却卸料室用第二隔热密封门隔开；在装料准备室上面的进料口装有进料盖和第一压力表和第一个三通阀门抽气/放气口，装料准备室下面开有第一进气口，与第一隔热密封门平行的装料准备室侧面朝装料准备室内装有推杆；碳热还原反应室上下两侧装有加热炉，在碳热还原反应室上面装第二压力表和第二个三通阀门抽气/放气口，碳热还原反应室下面开有第二进气口；冷却卸料室上面装第三压力表和第三个三通阀门抽气/放气口，冷却卸料室下面开有第三进气口，与第二隔热密封门平行的冷却卸料室侧面出口装有出料门；石墨坩埚从进料口装入后，通过推杆，能将装料后的石墨坩埚从装料准备室和碳热还原反应室中移动至冷却卸料室。

本发明具有的有益效果是：

1.三室连续真空炉可解决用现有的工业真空电炉不能连续生产碳化硅晶须问题，把现有技术的间歇式生产变为连续式生产，碳化硅晶须生产过程中不需要降温停炉，即可实现连续加料、出料，可大大提高生产效率，节约能耗。

2.基于碳化硅晶须气-固反应生长机理的特点，采用多层石墨诱导基板SiC晶须合成技术，使碳化硅晶须生长有足够的空间，改善了晶须生长环境，由于晶须以草坪状直接生长在石墨诱导基板表面，不存在杂质颗粒，不会对晶须造成污染，保证了SiC晶须的高纯度。

3.采用高度分散的超细的碳纤维为诱导基底生长晶须，保证了碳基底与SiO/CO气体有极大的接触面，有利于碳化硅晶须的沉积生长，保证了晶须的高产量。

附图说明

图1是三室连续碳化硅制备真空炉的结构示意图。

图2是一种石墨坩埚的结构示意图。

图3是另一种石墨坩埚的结构示意图。

图中，1、推杆，2、压力表，3、装料准备室，4、进料盖，5、三通阀门抽气/放气口，6、隔热密封门，7、压力表，8、碳热还原反应室，9、加热炉，10、三通阀门抽气/放气口，11、隔热密封门，12、压力表，13、冷却卸料室，14、三通阀门抽气/放气口，15、出料门，16、进气口，17、石墨坩埚，18、进气口，19、进气口，20石墨诱导基板，21、二氧化硅/碳混合物，22、石墨坩埚，23、碳纤维诱导基底，24、石墨坩埚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明将真空炉依次分成三室，分别为装料准备室3、碳热还原反应室8和冷却卸料室13，装料准备室3、碳热还原反应室间用第一隔热密封门6隔开，碳热还原反应室8和冷却卸料室13用第二隔热密封门11隔开；在装料准备室3上面的进料口装有进料盖4和第一压力表2和第一个三通阀门抽气/放气口5，装料准备室3下面开有第一进气口19，与第一隔热密封门6平行的装料准备室3侧面朝装料准备室3内装有推杆1；碳热还原反应室8上下两侧装有加热炉9，在碳热还原反应室8上面装第二压力表7和第二个三通阀门抽气/放气口10，碳热还原反应室8下面开有第二进气口18；冷却卸料室13上面装第三压力表12和第三个三通阀门抽气/放气口14，冷却卸料室13下面开有第三进气口16，与第二隔热密封门11平行的冷却卸料室13侧面出口装有出料门15；石墨坩埚17从进料口装入后，通过推杆1，能将装料后的石墨坩埚17从装料准备室3和碳热还原反应室8中移动至冷却卸料室13。

如图2所示，所述的石墨坩埚17内部为从下至上依次变大的多层台阶结构，台阶面用于搁置石墨诱导基板20，出口处盖有石墨诱导基板20。装料时，先将二氧化硅/碳混合物21置于坩埚底部，再将第一块石墨诱导基板20置于石墨坩埚底层第一个台阶上，石墨诱导基板20与原料混合物之间不接触，保持一定的距离，然后再将二氧化硅/碳混合物21置于第一块石墨诱导基板20上，再将第二块石墨诱导基板20置于石墨坩埚底层第二个台阶上，石墨诱导基板与原料混合物之间不接触，保持一定的距离，如此重复，到最后一个台阶上放有原料混合物后，用石墨诱导基板盖住石墨坩埚。装料完毕。

如图3所示，所述的石墨坩埚22内部为直立式结构，出口处倒置的另一个石墨坩埚24。装料时，坩埚底层22为二氧化硅/碳混合物21，碳纤维诱导基底23搁置在由石墨薄片做成的杆上，然后盖上一个倒置的石墨坩埚24。

三室连续晶须生成真空炉制备碳化硅晶须步骤如下：

如图1所示，打开进料盖4，将装料后的石墨坩埚17置于装料准备室3，合上进料盖4，可活动的隔热密封门6、11处于开启状态，真空炉由机械泵抽真空，一定真空度后，停止抽气，充入保护气至常压，由推杆1将石墨坩埚17推入碳热还原反应室8，推杆拉回，合上隔热密封门6、11，加热升温，反应结束后，开启隔热密封门6、11，将石墨坩埚17推入冷却卸料室13，推杆1拉回，合上隔热密封门6、11，待石墨坩埚17冷却后，打开出料门15取出石墨坩埚17，收集晶须。通过抽气口14和进气口16对冷却卸料室13抽真空，并充入保护气，使气压与碳热还原反应室8一致，打开进料盖4，继续将装料石墨坩埚17置于装料准备室3，合上进料盖4，通过抽气口5和进气口19对冷却卸料室13抽真空，并充入保护气，使气压与碳热还原反应室8一致，开启隔热密封门6，由推杆1将石墨坩埚17推入碳热还原反应室8，推杆拉回，合上隔热密封门6，加热升温，如此循环。反应结束后，碳化硅晶须沉积在石墨诱导板上，将其刮下即获高纯的碳化硅晶须。对于沉积在碳纤维诱导基底上的晶须可在水中超声将其与基底分开。

采用三室连续真空炉，在碳化硅晶须生产中不需停炉，可连续生产，生产率高，且操作简便，可大大节约能耗。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉，其特征在于：将真空炉依次分成三室，分别为装料准备室(3)、碳热还原反应室(8)和冷却卸料室(13)，装料准备室(3)、碳热还原反应室间用第一隔热密封门(6)隔开，碳热还原反应室(8)和冷却卸料室(13)用第二隔热密封门(11)隔开；在装料准备室(3)上面的进料口装有进料盖(4)和第一压力表(2)和第一个三通阀门抽气/放气口(5)，装料准备室(3)下面开有第一进气口(19)，与第一隔热密封门(6)平行的装料准备室(3)侧面朝装料准备室(3)内装有推杆(1)；碳热还原反应室(8)上下两侧装有加热炉(9)，在碳热还原反应室(8)上面装第二压力表(7)和第二个三通阀门抽气/放气口(10)，碳热还原反应室(8)下面开有第二进气口(18)；冷却卸料室(13)上面装第三压力表(12)和第三个三通阀门抽气/放气口(14)，冷却卸料室(13)下面开有第三进气口(16)，与第二隔热密封门(11)平行的冷却卸料室(13)侧面出口装有出料门(15)；石墨坩埚从进料口装入后，通过推杆(1)，能将装料后的石墨坩埚从装料准备室(3)和碳热还原反应室(8)中移动至冷却卸料室(13)。

2.根据权利要求1所述的一种连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉，其特征在于：所述的石墨坩埚(17)内部为从下至上依次变大的多层台阶结构，台阶面用于搁置石墨诱导基板(20)，出口处盖有石墨诱导基板(20)。

3.根据权利要求1所述的一种连续制备碳化硅晶须的三室连续晶须生成真空炉，其特征在于：所述的石墨坩埚(22)内部为直立式结构，出口处倒置另一个石墨坩埚(24)。

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