CN102491333A

CN102491333A - 一种碳化硅粉体及其制备方法

Info

Publication number: CN102491333A
Application number: CN2011104040998A
Authority: CN
Inventors: 王周福; 张少伟; 刘浩; 王玺堂; 张保国
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明具体涉及一种碳化硅粉体及其制备方法。其技术方案是：先以5~20wt%的纳米二氧化硅或硅微粉、0.5~2.5wt%的炭黑或土状石墨粉、70~88wt%的碱金属氯化物和5~15wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置入管式电炉内，在氩气气氛下以4~10℃/min的升温速率升至800~1000℃，保温2~10小时；然后将所得产物放入浓度为2~5mol/L的硝酸中浸泡3~8小时，过滤，去离子水清洗至清洗液pH值为7.0，110℃干燥8~24小时，即得碳化硅粉体。本发明具有反应温度低、工艺简单、合成过程可控和生产成本低等特点；所制备的碳化硅粉体结晶好，产物纯度高，无杂相，粉体粒径为50~200nm。

Description

一种碳化硅粉体及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅粉体技术领域。具体涉及一种碳化硅粉体及其制备方法。

背景技术

碳化硅是耐火材料领域最常使用的非氧化物耐火原料之一。SiC材料具有优异的耐腐蚀性和耐磨性、高温强度大、热导率高、热膨胀系数小、热震稳定性好等物理化学性能，故在冶金、机械、化工、建材等工业领域获得广泛的应用，在电子、电气、航空航天等高新技术行业也备受青睐。SiC最初的用途是作为磨具、磨料和耐火材料，后发展到作为加热元件（硅碳电阻棒）的原料使用。二十世纪中叶，SiC独特的性能被人们逐渐认识，用途越来越多，应用面越来越广，作为一种新型的精细陶瓷材料，受到了人们极大的关注。如被广泛应用于高性能结构陶瓷（如火箭喷嘴、核工业等）、吸波材料、抗磨润滑油脂、高性能刹车片、高硬度耐磨粉末涂料、复合陶瓷增强增韧等工业领域。因此，具有纯度高、粒径分布均匀、表面活性高、松装密度低等优良特性的碳化硅粉体，成为上述领域开展优质陶瓷制备的首选材料。

碳化硅是强共价键化合物，不易烧结。目前碳化硅的制备方法有很多种，大致可分为两类：一类是把由固相反应得到的碳化硅晶体进行粉碎的分解方法；另一类是用微粉原料气相法或液相法等直接合成碳化硅细粉的聚集方法。如碳热还原法、金属硅碳化法、气相反应法和溶胶-凝胶法等。但这些方法都存在一定的不足。

碳热还原法是以石英砂为原料，以焦炭或沥青为还原剂，在电炉中加热至1900℃以上，生成块状碳化硅，再经破碎、磨细、酸浸、水洗、分级等多道工序，最终得到碳化硅粉末。该法生成成本低、产量大、原料价廉易得；但是，工艺过程复杂、产品粒度较粗（微米以上），产物纯度通常较低（一般低于98%）。

金属硅碳化法是采用高纯金属硅与碳直接进行固相反应的方法。但是，由于该法为固相反应，反应热和熔化热很高，难以进行反应体系控制，而且反应中部分硅熔化，很难控制其粒径的大小。

气相反应法是通过有机硅气体和碳氢化合物气体在1200-1300℃下高温反应来制备碳化硅粉体的技术。这类方法的特点是粉末直接制成，工艺过程简单，而且产品质量高，粒度可达超细（小于100纳米）。但是由于采用的原料（气体和液体）价格较高，产粉量较小，因而产品制备成本较高。

溶胶-凝胶法是制备粉体采用较多的方法，用该法可以在较低温度下开展碳化硅粉体的制备工作，有利于高纯材料的制备，所得粉体粒径粒度也较小。但是该法所需原材料价格高，而且粉体在后期处理过程中容易快速团聚。

因此，目前对碳化硅粉体的制备技术仍存在一些不足之处：如原料价格较高，工艺过程复杂，不易控制，粉体颗粒粒径分布不均匀，粉体颗粒容易团聚等，极大地限制了碳化硅粉体的产业化。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种合成工艺简单、合成过程易于控制、产率高、原料价格低廉和具有很大产业化前景的碳化硅粉体的制备方法。用该方法制备的碳化硅粉体活性高、颗粒团聚小、纯度高，粉体颗粒粒径分布均匀。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：先以5~20wt%的纳米二氧化硅或硅微粉、0.5~2.5wt%的炭黑或土状石墨粉、70~88wt%的碱金属氯化物和5~15wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以4~10℃/min的升温速率升至800~1000℃，保温2~10小时；然后将所得产物放入浓度为2~5mol/L的硝酸中浸泡3~8小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥8~24小时，即得碳化硅粉体。

所述纳米二氧化硅的比表面积大于160m²/g。

所述硅微粉的粒径小于180μm，SiO₂含量≥99wt%。

所述炭黑的比表面积大于70m²∕g，粒径为2~3nm。

所述土状石墨粉的粒径小于74μm。

所述碱金属氯化物为氯化钠、氯化钾和氯化锂中的一种；其中：氯化钠为分析纯，纯度≥99.5wt%；氯化钾为分析纯，纯度≥99.5wt%；氯化锂为分析纯，纯度≥99wt%。

所述铝粉粒径小于74μm，纯度≥99wt%。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下积极效果：

1、在熔融盐中实现反应物原子尺度的混合，可有效控制反应进程、降低反应温度、缩短反应时间；

2、原料来源广泛、价格低廉，具有很大的产业化生产前景。

3、合成产物各组分配比准确、成分均匀、无偏析；

4、产物的颗粒均匀分散于熔融盐中，避免了相互连接，使得颗粒分散性很好，极大地降低了溶解洗涤后团聚现象的发生。

因此，本发明具有反应温度低、工艺简单、合成过程可控和生产成本低等特点；所制备的碳化硅粉体结晶好，产物纯度高，无杂相，粉体粒径为50~200nm。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式的原料统一描述如下，以下各实施例中不再赘述：纳米二氧化硅的比表面积大于160m²/g；硅微粉的粒径小于180μm，SiO₂含量≥99wt%；炭黑的比表面积大于70m²∕g，粒径为2~3nm；土状石墨粉的粒径小于74μm；氯化钠为分析纯，纯度≥99.5wt%；氯化钾为分析纯，纯度≥99.5wt%；氯化锂为分析纯，纯度≥99wt%。；铝粉粒径小于74μm，纯度≥99wt%。

实施例1

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以10~20wt%的纳米二氧化硅、0.5~1wt%的炭黑、70~80wt%的氯化钠和9~15wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以4~6℃/min的升温速率升至800~900℃，保温2~4小时；然后将所得产物放入浓度为2~3mol/L的硝酸中浸泡3~5小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥8~15小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为50~100nm。

实施例2

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以5~13wt%的硅微粉、1~2wt%的土状石墨粉、80~88wt%的氯化钾和5~10wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以5~8℃/min的升温速率升至900~9500℃，保温3~6小时；然后将所得产物放入浓度为3.5~4.5mol/L的硝酸中浸泡4~6小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥12~18小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为80~160nm。

实施例3

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以10~20wt%的纳米二氧化硅、1.5~2.5wt%的炭黑、70~75wt%的氯化锂和10~15wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以6~10℃/min的升温速率升至940~1000℃，保温5~8小时；然后将所得产物放入浓度为2.5~3.5mol/L的硝酸中浸泡5~8小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥15~20小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为150~200nm。

实施例4

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以5~10wt%的纳米二氧化硅、0.8~1.5wt%的炭黑、78~88wt%的氯化钠和5~11wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以7~9℃/min的升温速率升至850~950℃，保温7~10小时；然后将所得产物放入浓度为3~5mol/L的硝酸中浸泡3.5~5小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥18~24小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为100~200nm。

实施例5

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以10~18wt%的硅微粉、0.5~1.5wt%的土状石墨粉、70~78wt%的氯化钾和8~13wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以4~7℃/min的升温速率升至900~1000℃，保温6~8小时；然后将所得产物放入浓度为2~4mol/L的硝酸中浸泡5~8小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥18~22小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为80~120nm。

实施例6

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以13~20wt%的硅微粉、1.8~2.5wt%的土状石墨粉、71~80wt%的氯化钾和5~8wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以8~10℃/min的升温速率升至800~900℃，保温8~10小时；然后将所得产物放入浓度为3.5~5mol/L的硝酸中浸泡4.5~6小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥20~24小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为100~180nm。

实施例7

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以15~20wt%的纳米二氧化硅、1~1.8wt%的土状石墨粉、74~79wt%的氯化锂和5~8wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以4~6℃/min的升温速率升至850~950℃，保温2~5小时；然后将所得产物放入浓度为3~5mol/L的硝酸中浸泡5~8小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥8~10小时，即得碳化硅粉体。

本实施例所制备的碳化硅粉体，纯度高、颗粒无团聚，粒度为150~220nm。

实施例8

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以9~15wt%的硅微粉、0.5~1.2wt%的炭黑、78~84wt%的氯化锂和6~9wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以5~7℃/min的升温速率升至900~1000℃，保温7~9小时；然后将所得产物放入浓度为3~5mol/L的硝酸中浸泡4~6小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥10~15小时，即得碳化硅粉体。

实施例9

一种碳化硅粉体及其制备方法。先以5~11wt%的纳米二氧化硅、0.8~1.5wt%的土状石墨粉、82~88wt%的氯化锂和6~10wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以4~6℃/min的升温速率升至800~900℃，保温2~5小时；然后将所得产物放入浓度为2~4mol/L的硝酸中浸泡3~5小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥8~10小时，即得碳化硅粉体。

本具体实施方式与现有技术相比具有以下积极效果：

2、原料来源广泛、价格低廉，具有很大的产业化生产前景。

3、合成产物各组分配比准确、成分均匀、无偏析；

因此，本具体实施方式具有反应温度低、工艺简单、合成过程可控和生产成本低等特点；所制备的碳化硅粉体结晶好，产物纯度高，无杂相，粉体粒径为50~200nm。

Claims

1.一种碳化硅粉体的制备方法，其特征在于先以5~20wt%的纳米二氧化硅或硅微粉、0.5~2.5wt%的炭黑或土状石墨粉、70~88wt%的碱金属氯化物和5~15wt%的铝粉为原料，混合均匀；再将混合均匀的原料置于管式电炉内，在氩气气氛下以4~10℃/min的升温速率升至800~1000℃，保温2~10小时；然后将所得产物放入浓度为2~5mol/L的硝酸中浸泡3~8小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液的pH值为7.0，最后在110℃条件下干燥8~24小时，即得碳化硅粉体。

2.根据权利要求1所述的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于所述纳米二氧化硅的比表面积大于160m²/g。

3.根据权利要求1所述的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于所述硅微粉的粒径小于180μm，SiO₂含量≥99wt%。

4.根据权利要求1所述的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于所述炭黑的比表面积大于70m²∕g，粒径为2~3nm。

5.根据权利要求1所述的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于所述土状石墨粉的粒径小于74μm。

6.根据权利要求1所述的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于所述碱金属氯化物为氯化钠、氯化钾和氯化锂中的一种；其中：氯化钠为分析纯，纯度≥99.5wt%；氯化钾为分析纯，纯度≥99.5wt%；氯化锂为分析纯，纯度≥99wt%。

7.根据权利要求1所述的碳化硅粉体的制备方法，其特征在于所述铝粉粒径小于74μm，纯度≥99wt%。

8.根据权利要求1~7项中任一项所述的碳化硅粉体的制备方法所制备的碳化硅粉体。