CN103466624B - 一种超细β碳化硅及其制备方法 - Google Patents

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 (7)

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)的质量比混合，并加水搅拌均匀，过滤，烘干，得到样品A；所述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；

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；所述样品B在瓷坩埚内铺成厚度为1～10cm的样品层；

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，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。

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，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。

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。

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，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。

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。

7.根据权利要求1或6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。