CN103466624A - 一种超细β碳化硅及其制备方法 - Google Patents

一种超细β碳化硅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细β碳化硅的制备方法,包括(1)混合样品;(2)高温反应;(3)煅烧除炭;(4)酸碱洗除杂四个步骤,其工艺步骤简单,操作方便,所制备的超细β碳化硅粒径为3μm左右,成本低、无α相碳化硅、杂质含量低、粒度分布均匀,β碳化硅含量在98%以上。制备出的超细β碳化硅可为电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和增强材料等领域提供优质的原料。

Description

一种超细β碳化硅及其制备方法
技术领域
本发明属于化工领域,具体涉及一种超细β碳化硅及其制备方法。 
背景技术
β碳化硅微粉有很高的化学稳定性、高硬度、高热导率、低热胀系数、宽能带隙、高电子漂移速度、高电子迁移率、特殊的电阻温度特性等,被广泛应用于电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和增强材料等领域。β碳化硅生产方式目前主要有三种:激光法、等离子法和固相合成法。前两种工艺主要合成的产品为纳米及亚微米粉末。固相合成法目前工艺方式较多,但都具有一定技术难度,产品大多存在β相含量不高、产品杂质多、难以批量生产等多项缺点。 
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题,提供一种超细β碳化硅及其制备方法,该方法制备的超细β碳化硅可为电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和增强材料等领域提供优质的原料。 
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是: 
一种超细β碳化硅的制备方法,包括以下步骤: 
1)混合样品: 
将水洗好的硅源和碳源按1:(0.2~2)的比例混合,并加水搅拌均匀,过滤,烘干,得到样品A; 
2)高温反应: 
将样品A装入坩埚,在样品上铺一层活性炭;放入高温炉内,在1200~1800℃的温度下保温1~10h,反应完后得到样品B; 
3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,然后在400~900℃的温度下煅烧1~10h,除去游离炭,得到样品C; 
4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加水球磨;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到1~20%,并加热;将加碱反应后的样品过滤水洗,水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,再向其中加入无机酸,使溶液酸浓度达到1~10%,并加热;待反应完后过滤砂浆,对滤饼进行水洗、烘干处理之后,过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
所述步骤1)中,硅源是从硅片切割废砂浆中提取的,硅源用水洗0~5次;碳源为活性炭、炭黑或木炭中的一种或多种的混合物。 
所述步骤1)中,过滤所用的过滤器为高压过滤器、离心分离器、真空过滤器或板框压滤机。 
所述步骤1)中,烘干所用的干燥器为热风循环烘箱、普通干燥机或真空干燥器。 
所述步骤2)中的坩埚为石墨坩埚、刚玉坩埚、氧化锆坩埚或碳化硅坩埚。 
所述步骤2)中,高温炉为箱式高温炉、高温电阻炉、高温真空炉、箱式气氛炉或高温管式气氛炉。 
所述步骤3)中,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为1~10cm的样品层。 
所述步骤4)中,加入无机碱反应时的加热温度为50~100℃,反应时间为1~10h;加入无机酸反应时的加热温度为40~80℃,反应时间为1~10h。 
所述步骤4)中,加入的无机酸为盐酸、硫酸或氢氟酸中的一种或多种。 
本发明还公开了一种超细β碳化硅,所述β碳化硅的粒径为0.5~6μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量在98%以上。 
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果: 
本发明超细β碳化硅的制备方法通过混合样品、高温反应、煅烧除炭、酸碱洗除杂这四个步骤制备β碳化硅,其工艺步骤简单,操作方便,所制备得到的超细β碳化硅粒径为3μm左右,成本低、无α相碳化硅、杂质含量低、粒度分布均匀,β碳化硅含量在98%以上。制备出的超细β碳化硅可为电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和增强材料等领域提供优质的原料。 
具体实施方式
本发明超细β碳化硅的制备方法,包括以下步骤: 
1)混合样品: 
将水洗过0~5次的硅源和碳源按照1:(0.2~2)的质量比混合,并加水搅拌均匀,用高压过滤器、离心分离器、真空过滤器或板框压滤机过滤,再用热风循环烘箱、普通干燥机或真空干燥器烘干,得到样品A;硅源是从硅片切割废砂浆中提取的,碳源为活性炭、炭黑或木炭中的一种或多种的混合物; 
2)高温反应: 
将样品A装入石墨坩埚、刚玉坩埚、氧化锆坩埚或碳化硅坩埚中,样品A 上层铺有活性炭。放入箱式高温炉、高温电阻炉、高温真空炉、箱式气氛炉或高温管式气氛炉内,在1200~1800℃的温度下保温1~10h,反应完后得到样品B。 
3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为1~10cm的样品层;然后在400~900℃的温度下煅烧1~10h,除去游离炭,得到样品C。 
4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加水球磨;再向球磨后的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到1~20%,并在50~100℃的温度下反应1~10h;将加碱反应后的样品过滤水洗,水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,再向其中加入盐酸、硫酸或氢氟酸中的一种或多种混合物,使溶液酸浓度达到1~10%,并在40~80℃的温度下反应1~10h;待反应完后过滤砂浆,对滤饼进行水洗、烘干、过筛处理,最终得到超细β碳化硅。 
以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述,但本发明所要求保护的范围并不局限于实施方式所涉及之范围。 
实施例1 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源水洗3次,并将硅源和木炭按照1:1的质量比混合,并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用离心分离器进行固液分离,将分离的固体样品用热风循环烘箱在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入刚玉坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入箱式高温炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1300℃的温度下保温10h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为1cm的样品层;然后在700℃的温度下煅烧2h,除去游离炭,煅烧过程中每一小时搅拌一次,煅烧结束后,得到样品C。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨后的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到2%,并在80℃的温度下反应6h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入盐酸,使溶液酸浓度达到10%,并在60℃的温度下反应3h;待反应完后用高压过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱烘干,烘干后过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为1.2μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为98.4%。 
实施例2 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源水洗5次,并将硅源和木炭按照1:2的质量比混合,并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用高压过滤器进行固液分离,将分离的固体样品用普通干燥机在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入碳化硅坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入高温电阻炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1800℃的温度下保温8h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为3cm的样品层;然后在700℃的温度下煅烧1h,除去游离炭,得到样品C。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到4%,并在80℃的温度下反应4h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入硫酸,使溶液酸浓度达到2%,并在70℃的温度下反应1h;待反应完后用真空过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱烘干,烘干后过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为2.5μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为98.3%。 
实施例3 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源水洗5次,并将硅源和炭黑按照1:0.8的质量比混合,并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用真空过滤器进行固液分离,将分离的固体样品用普通干燥机在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入氧化锆坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入箱式高温炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1400℃的温度下保温9h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为5cm的样品层;然后在500℃的温度下煅烧4h,除去游离炭,得到样品C;煅烧过程中每一小时搅拌一次。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到6%,并在50℃的温度下反应4h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入硫酸,使溶液酸浓度达到3%,并在60℃的温度下反应2h;待反应完后用真空过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱进行烘干,烘干后过500目筛 网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为1.4μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为98.5%。 
实施例4 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源水洗3次,并将硅源和活性炭按照1:1.5的质量比混合,并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用板框压滤机进行固液分离,将分离的固体样品用普通干燥机在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入石墨坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入高温真空炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1700℃的温度下保温2h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为1cm的样品层;然后在900℃的温度下煅烧2h,除去游离炭,得到样品C;煅烧过程中每一小时搅拌一次。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到20%,并在90℃的温度下反应3h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以 下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入氢氟酸,使溶液酸浓度达到10%,并在80℃的温度下反应2h;待反应完后用真空过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱烘干,烘干后过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为2.0μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为99.3%。 
实施例5 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源和炭黑按照1:0.2的质量比混合,并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用板框压滤机进行固液分离,将分离的固体样品用热风循环烘箱在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入刚玉坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入高温真空炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1200℃的温度下保温1h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为4cm的样品层;然后在400℃的温度下煅烧10h,除去游离炭,煅烧过程中每一小时搅拌一次,煅烧结束后,得到样品C。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到1%,并在60℃的温度下反应10h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入盐酸,使溶液酸浓度达到1%,并在40℃的温度下反应6h;待反应完后用高压过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱烘干,烘干后过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为0.5μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为98.2%。 
实施例6 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源水洗2次,并将硅源与碳源按照1:1.6的质量比混合,碳源为活性炭和木炭的混合物;并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用高压过滤器进行固液分离,将分离的固体样品用热风循环烘箱在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入碳化硅坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入箱式气氛炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1500℃的温度下保温3h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为7cm的样品层;然后在600℃的温度下煅烧7h,除去游离炭,煅烧过程中每一小时搅拌一次,煅烧结束后,得到样品C。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C,倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到10%,并在70℃的温度下反应8h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入盐酸和硫酸的混合物,使溶液酸浓度达到7%,并在50℃的温度下反应8h;待反应完后用高压过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱烘干,烘干后过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为6μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为98.8%。 
实施例7 
(1)混合样品: 
将从硅片切割废砂浆中提取的硅源水洗4次,并将硅源和碳源按照1:2的质量比混合,碳源为活性炭、炭黑以及木炭的混合物;并加等量的水搅拌30min,至混合物均匀;用真空过滤器进行固液分离,将分离的固体样品用真空干燥器在65~70℃的温度下烘干24h,得到样品A; 
(2)高温反应: 
将250g样品A装入石墨坩埚中,并在样品A的上层铺100g柱状活性炭;加盖之后放入高温管式气氛炉内准备烧制,在升温速度为8℃/min,1600℃的温度下保温5h,反应完后得到样品B。 
(3)煅烧除炭: 
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为10cm的样品层;然后在800℃的温度下煅烧8h,除去游离炭,煅烧过程中每一小时搅拌一次,煅烧结束后,得到样品C。 
(4)酸碱洗除杂: 
将样品C倒入球磨罐,加入其4倍质量的水,球磨2h;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到15%,并在100℃的温度下反应1h;将加碱反应后的样品用高压过滤器过滤,并水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,配成固含量为20%的砂浆,再向砂浆中加入盐酸、硫酸以及氢氟酸的混合物,使溶液酸浓度达到10%,并在80℃的温度下反应10h;待反应完后用高压过滤器过滤砂浆,对滤饼进行水洗,水洗至滤液的pH值为6~7,电导率为50μS/cm以下;水洗后用热风循环烘箱烘干,烘干后过500目筛网,得到超细β碳化硅。 
采用上述步骤制备出的β碳化硅的粒径为4.5μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量为98.6%。 
根据本发明实施例所制备出的超细β碳化硅可为电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和增强材料等领域提供优质的原料。 

Claims (10)

1.一种超细β碳化硅的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)混合样品:
将水洗好的硅源和碳源按1:(0.2~2)的比例混合,并加水搅拌均匀,过滤,烘干,得到样品A;
2)高温反应:
将样品A装入坩埚,在样品A上铺一层活性炭;放入高温炉内,在1200~1800℃的温度下保温1~10h,反应完后得到样品B;
3)煅烧除炭:
将样品B粉碎过20目筛网后,放入瓷坩埚内,然后在400~900℃的温度下煅烧1~10h,除去游离炭,得到样品C;
4)酸碱洗除杂:
将样品C倒入球磨罐,加水球磨;再向球磨完的样品溶液中加入NaOH,使样品溶液的碱浓度达到1~20%,并加热;将加碱反应后的样品过滤水洗,水洗至滤液的电导率为100μS/cm以下,pH值为9以下;取出水洗后的样品并加水搅拌,再向其中加入无机酸,使溶液酸浓度达到1~10%,并加热;待反应完后过滤砂浆,对滤饼进行水洗、烘干处理之后,过500目筛网,得到超细β碳化硅。
2.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中,硅源是从硅片切割废砂浆中提取的,硅源用水洗0~5次;碳源为活性炭、炭黑或木炭中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中,过滤所用的过滤器为高压过滤器、离心分离器、真空过滤器或板框压滤机。
4.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中,烘干所用的干燥器为热风循环烘箱、普通干燥机或真空干燥器。
5.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的坩埚为石墨坩埚、刚玉坩埚、氧化锆坩埚或碳化硅坩埚。
6.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中,高温炉为箱式高温炉、高温电阻炉、高温真空炉、箱式气氛炉或高温管式气氛炉。
7.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤3)中,样品B在瓷坩埚内铺成厚度为1~10cm的样品层。
8.根据权利要求1所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤4)中,加入无机碱反应时的加热温度为50~100℃,反应时间为1~10h;加入无机酸反应时的加热温度为40~80℃,反应时间为1~10h。
9.根据权利要求1或8所述的超细β碳化硅的制备方法,其特征在于:所述步骤4)中,加入的无机酸为盐酸、硫酸或氢氟酸中的一种或多种。
10.一种根据权利要求1至10任意一项所述的制备方法制备的超细β碳化硅,其特征在于:所述β碳化硅的粒径为0.5~6μm,无α相碳化硅生成,β碳化硅含量在98%以上。
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