CN102897763B - 一种低温快速合成α-SiC微粉的方法 - Google Patents

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Abstract

一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,属于材料工艺领域。本发明通过高能球磨预处理提高原料粉体活性,降低反应活化能,然后以微波为热源在特殊气氛条件下实现了α-SiC微粉的低温、快速制备,克服了现有技术存在的合成温度高、反应时间长的缺点,且反应产物直接为微粉因而避免了繁琐的破碎、分选工艺,可有效降低生产成本、能源消耗和缩短工艺周期、提高生产效率。

Description

一种低温快速合成α-SiC微粉的方法
技术领域:
本发明属于材料新工艺领域,涉及一种低温快速、环保节能的微波合成α-SiC微粉的新方法。
背景技术:
目前,α-SiC微粉的工业化生产主要是采用Acheson工艺,利用焦炭还原石英砂制备SiC锭,然后再通过破碎、风选、筛分等一系列后续工艺处理制得α-SiC微粉。这种工艺一般需要高达2000℃以上的反应温度,反应时间从十几小时到数天,属于高耗能、高耗时工艺;且后续处理制得微粉的工艺复杂,难以获得高质量的α-SiC微粉。针对这些问题,人们试图开发一些新型工艺来尝试低温快速制备α-SiC微粉。自蔓延高温合成技术是可以快速地制备出SiC微粉的方法之一,但其产物物相几乎完全是β-SiC。而硅碳气雾剂快速碳热还原法、等离子体加热法、CVD法和激光加热等技术,由于工艺复杂、产率较低,因而制备成本过高,并不适合规模化制备α-SiC微粉。微波加热技术是一种新兴的材料高温合成技术,具有升温快,能耗低的优点。但目前国内外采用微波加热技术制备出的SiC微粉主晶相为β-SiC。
发明内容:
本发明目的是为了克服现有技术存在的合成温度高、反应时间长的缺点,避免繁琐的破碎、分选工艺,有效降低生产成本、能源消耗和缩短工艺周期、提高生产效率。
一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,技术方案如下:
(1)   将硅粉和碳源(活性炭、石墨、炭黑和焦炭中的一种或其任意组合)按照硅碳摩尔比(0.7~0.95):1精确称量配料,作为反应剂1;
(2)   然后将铝粉(100目~1000目)与反应剂1按照铝硅摩尔比1:(2.3~19)精确称量,采用高能球磨对反应剂进行活化预处理1~4小时作为反应剂2;
(3)   按反应剂2质量的5~20%将反应助剂(尿素、三聚氰胺、氯化铵和硫酸铵中的一种或其任意组合)加入反应剂2,精确称量,采用高能球磨对反应剂进行活化预处理1~24小时作为反应剂3。
(4)   称取一定量反应剂3装入坩埚中,再将坩埚放入微波炉中,对微波炉进行抽真空,然后充入高纯气体(氩气、氮气和氨气中的一种或其任意组合),开启微波炉加热,以30~150℃/min的升温速率升温至1000~1500℃,并在相应温度保温1~60min后关闭电源,自然冷却后取出反应产物;
(5)   将取出的产物在空气气氛下,于700℃保温1~12小时脱碳纯化处理除去粉体中的残碳;脱碳产物再用氢氟酸与强氧化性酸(硫酸、硝酸和高氯酸的一种或其任意组合)配置成的摩尔比为1:1的混合酸进行酸洗纯化,除去未反应的硅,最后用去离子水洗至中性,干燥后即获得α-SiC微粉。
本发明通过高能球磨预处理提高原料粉体活性,降低反应活化能,然后以微波为热源在特殊气氛条件下实现了α-SiC微粉的低温、快速制备,克服了现有技术存在的合成温度高、反应时间长的缺点,且反应产物直接为微粉因而避免了繁琐的破碎、分选工艺,可有效降低生产成本、能源消耗和缩短工艺周期、提高生产效率。
附图说明:
附图1所示为实施例1所制备的α-SiC微粉的XRD图谱。由图1可见,制备产物结晶良好。
附图2所示为实施例1所制备的α-SiC微粉的场发射扫描电镜照片。从图2中可见微粉中合成了大量晶形良好的六边形α-SiC颗粒,其粒径在1~10μm。
具体实施方式:
实施例1:
首先将硅粉和石墨按硅碳摩尔比0.95:1精确称量配料作为反应剂1,然后按铝硅比1:19加入100目铝粉精确称量配料作为反应剂2,反应剂2经高能球磨活化预处理4小时后,再将反应剂2质量5%的尿素加入反应剂2中配制成反应剂3,然后将反应剂3高能球磨活化预处理24小时。取一定量球磨后的反应剂3装入坩锅中,再置入微波炉中,抽真空后充入流动氩气并使炉内压力保持在1个大气压,启动微波加热,以150℃/min升温至1000℃进行反应,反应时间为60分钟,反应完成后断电自然冷却至室温,将取出的物料在空气气氛中700℃保温1小时脱碳,再用摩尔比1:1的氢氟酸和硝酸的混合酸进行酸洗纯化,最后用去离子水洗至中性,干燥后即得到α-SiC微粉。
实施例2:
首先将硅粉和石墨按硅碳摩尔比0.7:1精确称量配料作为反应剂1,然后按铝硅比1:2.3加入1000目铝粉精确称量配料作为反应剂2,反应剂2经高能球磨活化预处理1小时后,再将反应剂2质量20%的氯化铵加入反应剂2中配制成反应剂3,然后将反应剂3高能球磨活化预处理处理1小时。取一定量球磨后的反应剂3装入坩锅中,再置入微波炉中,抽真空后充入流动氨气使炉内压力保持在1个大气压,启动微波加热,以80℃/min升温至1400℃进行反应,反应时间为15分钟,反应完成后断电自然冷却至室温,将取出的物料在空气气氛中700℃保温12小时脱碳,再用摩尔比1:1的氢氟酸和高氯酸的混合酸进行酸洗纯化,最后用去离子水洗至中性,干燥后即得到α-SiC微粉。
实施例3:
首先将硅粉和石墨按硅碳摩尔比0.9:1精确称量配料作为反应剂1,然后按铝硅比1:9加入300目铝粉精确称量配料作为反应剂2,反应剂2经高能球磨活化预处理3小时后,再将加反应剂2质量10%的三聚氰胺加入反应剂2中配制成反应剂3,然后将反应剂3高能球磨活化预处理12小时。取一定量球磨后的反应剂3装入坩锅中,再置入微波炉中,抽真空后充入流动氮气使炉内压力保持在1个大气压,启动微波加热,以150℃/min升温至1200℃进行反应,反应时间为30分钟,反应完成后断电自然冷却至室温,将取出的物料在空气气氛中700℃保温4小时脱碳,再用摩尔比为1:1的氢氟酸和硝酸的混合酸进行酸洗纯化,最后用去离子水洗至中性,干燥后即得到α-SiC微粉。 
实施例4:
首先将硅粉和石墨按硅碳摩尔比0.8:1精确称量配料作为反应剂1,然后按铝硅比1:4加入600目铝粉精确称量配料作为反应剂2,反应剂2经高能球磨活化预处理2小时后,再将反应剂2质量15%的硫酸铵加入反应剂2中配制成反应剂3,然后将反应剂3高能球磨活化预处理6小时。取一定量球磨后的反应剂3装入坩锅中,再置入微波炉中,抽真空后充入流动氩气使炉内压力保持在1个大气压,启动微波加热,以30℃/min升温至1500℃进行反应,反应时间为1分钟,反应完成后断电自然冷却至室温,将取出的物料在空气气氛中700℃保温8小时脱碳,再用摩尔比1:1的氢氟酸和硫酸的混合酸进行酸洗纯化,最后用去离子水洗至中性,干燥后即得到α-SiC微粉。
实施例5:
首先将硅粉和石墨按硅碳摩尔比0.95:1精确称量配料作为反应剂1,然后按铝硅比1:19加入500目铝粉精确称量配料作为反应剂2,反应剂2经高能球磨活化预处理4小时后,再将反应剂2质量10%的氯化铵加入反应剂2中配制成反应剂3,然后将反应剂3高能球磨活化预处理12小时。取一定量球磨后的反应剂3装入氧化铝坩锅中,再置入微波炉中,抽真空后充入流动氩气使炉内压力保持在1个大气压,启动微波加热,以50℃/min升温至1300℃进行反应,反应时间为30分钟,反应完成后断电自然冷却至室温,将取出的物料在空气气氛中700℃保温2小时脱碳,再用摩尔比1:1的氢氟酸和高氯酸的混合酸进行酸洗纯化,最后用去离子水洗至中性,干燥后即得到α-SiC微粉。

Claims (5)

1.一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,其特征在于包括下述步骤:
(1)将硅粉和碳粉按照摩尔比(0.7~0.95):1的比例进行精确称量配料,作为制备α-SiC微粉的反应剂1;
(2)将反应剂1与铝粉按照铝硅摩尔比1:(2.3~19)的比例进行精确称量配料,经高能球磨对反应剂进行活化预处理1~4小时作为制备α-SiC微粉的反应剂2;
(3)按反应剂2质量5%~20%的配比向反应剂2中加入反应助剂,作为制备α-SiC的反应剂3;将反应剂3进行高能球磨活化预处理,预处理时间为1~24小时;
(4)将活化处理后的反应剂3装入坩锅中,再置入微波烧结炉中,对微波烧结炉抽真空处理后通入高纯气体形成高纯烧结气氛;所述高纯气体为氩气、氮气和氨气中的一种或其任意组合;
(5)启动微波加热,以30~150℃/min的升温速率升温至1000~1500℃进行反应,反应时间为1~60min,反应结束后,关闭加热电源,自然冷却后取出反应产物;
(6)将取出的反应产物于空气气氛下在700℃保温1~12小时进行脱碳处理,除去未反应完全的碳;
(7)将脱碳处理后的产物浸泡于摩尔比为1:1的氢氟酸与强氧化性酸形成的混合酸液中酸洗纯化,除去产物中未反应的硅,再用去离子水将酸洗后的粉体洗至中性,干燥后即得到性能良好的α-SiC微粉。
2.根据权利要求1所述一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,其特征在于步骤(1)所述的碳粉为石墨、活性炭、炭黑和焦炭的一种或其任意组合。
3.根据权利要求1所述一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,其特征在于步骤(2)所述的铝粉粒径为100目~1000目。
4.根据权利要求1所述一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,其特征在于步骤(3)所采用的反应助剂为尿素、三聚氰胺、氯化铵和硫酸铵中的一种或其任意组合。
5.根据权利要求1所述一种低温快速合成α-SiC微粉的方法,其特征在于步骤(7)中混合酸液所用的强氧化性酸为硫酸、硝酸和高氯酸的一种或其任意组合。
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