CN101514105B - 一种碳化硅微粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅微粉的制备方法，以竹炭微粉为碳源，以硅溶胶为硅源，包括以下步骤：1)、选用粒径在0.2～0.3μm的竹炭微粉；2)、制备均质性复合前驱体：将竹炭微粉、硅溶胶、分散剂和催化剂混合，先经过超声波处理15～30分钟，然后再强力机械搅拌6～12小时；得均质性复合前驱体；3)、制备碳化硅微粉：先将均质性复合前驱体固化，然后置入真空高温烧结炉中，在1600～2200℃下加热1～6小时，得到碳化硅微粉。采用该方法制备的碳化硅微粉具有纯度高、粒度分布可控等特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅粉体的制备方法，具体的说，是竹炭微粉为碳源，硅溶胶为硅源的碳化硅粉体的制备方法。
背景技术
作为一种新型的精细陶瓷，SiC材料以其优异的物理化学性能而日益受到重视，其中SiC粉体特性是影响SiC陶瓷材料性能的主要因素。碳热反应是一种合成碳化硅粉体的主要方法之一，目前规模化碳热反应生产碳化硅粉体的是Acheson法，但该方法存在杂质含量多、粒径不易控制等缺点，在一定程度上限制了碳化硅材料的应用。高纯度、粒径可控是碳热合成SiC粉末发展的主要方向，其关键是选择合适的硅源、碳源以及工艺条件。长期以来，硅源多采用石英砂、二氧化硅粉体、硅粉、硅烷等，近年来，含有高反应活性的二氧化硅纳米粒子的硅溶胶被认为是合成SiC的最有效的硅源之一。碳源的选择局限于石墨、碳粉，一些含碳高分子如蔗糖、淀粉、酚醛树脂、沥青等也有广泛研究。石墨和碳粉作为碳源，与硅粉等生成碳化硅主要为固相反应，而固相反应过程存在接触面积有限、反应不充分等缺点，影响了碳化硅粉体的收得率；而以高分子为碳源虽然可以获得一定纯度、晶型及粒度可控的SiC粉末，但反应复杂、产率偏低、有害衍生物残留量大，从而影响了其推广应用。开发新的碳源是碳热反应生产碳化硅的重要发展方向。
竹炭是竹材在高温、少氧条件下烧制的一种具有丰富孔道结构的天然炭材料。普通竹炭的比表面积为200～300m2/g，经过二次炭化及活化处理，竹炭的比表面积高达700m2/g，对该竹炭进行超微化得到亚微米、纳米竹炭粉末，其表面积将更高；高比表面积将使竹炭具有高的反应活性。
有关碳化硅粉体制备的专利较多，如CN101125653、ZL01124696.0、ZL200410103488.7、ZL 03146043.7。但这些多采用碳粉、气态碳氢化合物为碳源，以竹炭为碳源合成碳化硅的研究尚未报道。
目前，竹炭的利用还处于初级阶段，只是利用了其多孔及丰富的孔道结构、高的比表面积和吸附性能，竹炭的碳含量较高、石墨化结构、微量元素都可以加以利用，从而合成新的化合物，以扩展竹炭的工业化应用途径。所以，以竹炭微粉为碳源合成碳化硅微粉是竹炭工业化应用的重要尝试。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种碳化硅微粉的制备方法，采用该方法制备的碳化硅微粉具有纯度高、粒度分布可控等特性。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳化硅微粉的制备方法，以竹炭微粉为碳源，以硅溶胶为硅源，包括以下步骤：
1)、选用粒径在0.2～0.3μm的竹炭微粉；
2)、制备均质性复合前驱体：
将竹炭微粉、硅溶胶、分散剂和催化剂按照12～14∶85～87∶0.5∶0.5的重量比混合，先经过超声波处理15～30分钟，然后再强力机械搅拌6～12小时；得均质性复合前驱体；
3)、制备碳化硅微粉：
先将均质性复合前驱体固化，然后置入真空高温烧结炉中，在1600～2200℃下加热1～6小时，得到碳化硅微粉。
作为本发明的碳化硅微粉的制备方法的改进：分散剂为聚乙二醇或聚甲基丙烯酸等，催化剂为氯化铵等；硅溶胶中纳米SiO2粒子的重量含量为20％～60％。
作为本发明的碳化硅微粉的制备方法的进一步改进：步骤1)为：将比表面积300～1000m2/g的竹炭经粉碎后，得粒径在0.2～0.3μm的竹炭微粉。步骤3)中的固化为：将均质性复合前驱体放入烘箱中在80～160℃干燥8～12h。
在本发明中，硅溶胶选用工业硅溶胶。步骤2)中超声波的工艺参数如下：工作频率为40～60KHz，功率为50～1800W；强力机械搅拌为：1000～2600转/分。
本发明是发明人经过认真研究、实验所获得的。高比表面积的竹炭具有高的反应活性，因此该种竹炭适合作为碳热反应的碳源。采用本发明方法制备而得的碳化硅微粉具有纯度高、粒径可控的特性。经能谱分析、X射线衍射物相分析及激光散射粒度分析仪测定，本发明所制备的碳化硅微粉纯度达99％以上，粒径在0.5～5μm的范围内。
本发明的制备方法能使竹炭微粉和硅溶胶充分反应，收得率可达到40％以上，而二氧化硅纳米粒子与碳充分反应的理论收得率为47.6％，因此本发明相对收得率可达84％以上。而以石墨和碳粉为原料，其相对收得率仅为50～60％。
本发明的制备方法工艺简单，由于选用竹炭微粉为碳源，因此不但能避免以高分子碳源作为原料时所得产物中含有残留有害衍生物的缺陷，还无需后续处理，从而进一步简化了工艺步骤。采用本发明制备方法的相对收得率达84％以上，较以高分子碳源作为原料的相对收得率30～40％高出一倍以上。
具体实施方式
实施例1、一种碳化硅微粉的制备方法，依次进行以下步骤：
1)、制备竹炭微粉：
将比表面积700m2/g的竹炭颗粒经过机械粉碎和气流磨后，得粒径为0.2～0.3μm的竹炭微粉。
2)、制备均质性复合前驱体：
将竹炭微粉、硅溶胶、聚乙二醇和氯化铵按照14∶85∶0.5∶0.5的重量比进行混合；先经过超声波处理15～30分钟，超声波的工艺参数如下：工作频率为40～60KHz，功率为50～1800W。然后再强力机械搅拌(1000～2600转/分)6小时；得均质性复合前驱体。
上述硅溶胶中纳米SiO2粒子的重量含量为40％。
3)、制备碳化硅微粉：
先将均质性复合前驱体放入烘箱中在120℃干燥10h，使其固化；然后置入真空高温烧结炉中，在1600℃下加热6小时，得到平均粒径2～3μm碳化硅微粉。碳化硅微粉的纯度达99％以上，相对收得率达84％。
实施例2、一种碳化硅微粉的制备方法，依次进行以下步骤：
1)、制备竹炭微粉：
将比表面积1000m2/g的竹炭颗粒经过机械粉碎和气流磨后，得粒径为0.2～0.3μm的竹炭微粉。
2)、制备均质性复合前驱体：
将竹炭微粉、硅溶胶、聚乙二醇和氯化铵按照12∶87∶0.5∶0.5的重量比进行混合；先经过超声波处理15～30分钟，然后再强力机械搅拌10小时；得均质性复合前驱体。
上述硅溶胶中纳米SiO2粒子的重量含量为60％。
3)、制备碳化硅微粉：
先将均质性复合前驱体放入烘箱中在160℃干燥8h，使其固化；然后置入真空高温烧结炉中，在2200℃下加热2小时，得到平均粒径2～3μm碳化硅微粉。碳化硅微粉的纯度达99％以上，相对收得率可达84％。
实施例3、一种碳化硅微粉的制备方法，依次进行以下步骤：
1)、制备竹炭微粉：
将比表面积300m2/g的竹炭颗粒经过机械粉碎和气流磨后，得粒径为0.2～0.3μm的竹炭微粉。
2)、制备均质性复合前驱体：
将竹炭微粉、硅溶胶、聚甲基丙烯酸和氯化铵按照13∶86∶0.5∶0.5的重量比进行混合；先经过超声波处理15～30分钟，然后再强力机械搅拌12小时；得均质性复合前驱体。
上述硅溶胶中纳米SiO2粒子的重量含量为30％。
3)、制备碳化硅微粉：
先将均质性复合前驱体放入烘箱中在80℃干燥12h，使其固化；然后置入真空高温烧结炉中，在2000℃下加热4小时，得到平均粒径2～3μm碳化硅微粉。碳化硅微粉的纯度达99％以上，相对收得率达84％。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种碳化硅微粉的制备方法，其特征是：以竹炭微粉为碳源，以硅溶胶为硅源，包括以下步骤：
1)、选用粒径在0.2～0.3μm的竹炭微粉；
2)、制备均质性复合前驱体：
将竹炭微粉、硅溶胶、分散剂和催化剂按照12～14∶85～87∶0.5∶0.5的重量比混合，先经过超声波处理15～30分钟，然后再强力机械搅拌6～12小时；得均质性复合前驱体；所述分散剂为聚乙二醇或聚甲基丙烯酸，催化剂为氯化铵；
3)、制备碳化硅微粉：
先将均质性复合前驱体固化，然后置入真空高温烧结炉中，在1600～2200℃下加热1～6小时，得到碳化硅微粉。
2.根据权利要求1所述的碳化硅微粉的制备方法，其特征是：所述硅溶胶中纳米SiO2粒子的重量含量为20％～60％。
3.根据权利要求2所述的碳化硅微粉的制备方法，其特征是：所述步骤1)为：将比表面积300～1000m2/g的竹炭经粉碎后，得粒径在0.2～0.3μm的竹炭微粉。
4.根据权利要求3所述的碳化硅微粉的制备方法，其特征是：所述步骤3)中的固化为：将均质性复合前驱体放入烘箱中在80～160℃干燥8～12h。
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| CN1472136A (zh) * | 2003-07-15 | 2004-02-04 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种制备碳化硅的方法 |
| CN101386538A (zh) * | 2008-10-28 | 2009-03-18 | 中国林业科学研究院木材工业研究所 | 一种碳化硅陶瓷的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Jun-Min Qian et al..Preparation of porous SiC ceramic with a woodlike microstructure by sol-gel and carbothermal reduction processing.《Journal of the European Ceramic Society》.2004,第24卷第3251-3259页. * |
| 刘金明等.竹材制备SiC多孔陶瓷及吸波性能研究.《炭素技术》.2008,第27卷(第5期),第31-36页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101514105A (zh) | 2009-08-26 |
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