CN112758934A - 一种β-碳化硅微粉的提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种β‑碳化硅微粉的提纯方法，属于陶瓷材料技术领域。本发明以硫酸溶液和氢氟酸为腐蚀剂，分两步对碳化硅微粉进行化学提纯，首先利用硫酸与铁的氧化反应去除铁单质，再利用氟离子与硅的氟化反应去除游离硅，并通过控制氧化反应和氟化反应的温度和时间以及原料的比例，在保证碳化硅微粉纯度的同时，实现高效提纯。实验结果表明，本发明提供的提纯方法中化学反应在1h左右，碳化硅微粉的纯度在99.42％以上。

Description

一种β-碳化硅微粉的提纯方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种β-碳化硅微粉的提纯方法。

背景技术

碳化硅(SiC)微粉因其具有高硬度、高磨削能力、耐高温、耐热震、耐腐蚀和良好介电性能的特点，被广泛运用于航空航天，石油石化，精密加工，设备密封等技术领域。由于合成法的特殊性，碳化硅中会残留游离硅和铁单质等杂质，严重影响以微粉为材料生产的碳化硅陶瓷材料的质量与性能。因此，有必要对碳化硅微粉进行提纯。

目前，主要采用酸性溶液对碳化硅微粉进行提纯，例如专利CN102311115A中记载了一种化学提纯碳化硅微粉的方法，按照绿碳化硅磨粉：水：硫酸：氢氟酸＝200：(180～220)：(7～10)：(0.5～2)的配比，在配浆池中依次按照比例加入，充分搅拌，反应8～10h，离心机脱酸，离心砂浆转移至漂洗池漂酸。上述方法虽然能够得到纯度达99％以上的碳化硅微粉，但其提纯工艺中仅化学反应就需要8～10h，耗时较长，不利于工业化生产。

因此，有必要对碳化硅微粉的提纯方法进行改进，以达到高效提纯碳化硅微粉的目的，且使得到的碳化硅微粉纯度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种β-碳化硅微粉的提纯方法。本发明提供的提纯方法能够对碳化硅微粉进行高效提纯，且得到的碳化硅微粉纯度较高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种β-碳化硅微粉的提纯方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅干粉料与硫酸溶液和水混合，进行氧化反应，得到碳化硅悬浊液；所述硫酸溶液的质量浓度为50～60％；所述氧化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；

(2)将所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液与氢氟酸混合，进行氟化反应，得到β-碳化硅微粉；所述氢氟酸的质量浓度为20～30％；所述氟化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；

所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.15～0.4)mL；

所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(5～15)g：1mL。

优选地，所述步骤(1)碳化硅干粉料中杂质的质量含量为10～30％。

优选地，所述步骤(1)中硫酸溶液的质量浓度为55～58％。

优选地，所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.2～0.35)mL。

优选地，所述步骤(1)中碳化硅干粉料的质量与水的体积比为1g：(1～2)mL。

优选地，所述步骤(1)中氧化反应的温度为80～85℃，氧化反应的时间为30～35min。

优选地，所述步骤(1)中碳化硅悬浊液的pH值为4～5。

优选地，所述步骤(2)中氢氟酸的质量浓度为25～28％。

优选地，所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(10～13)g：1mL。

优选地，所述步骤(2)中氟化反应的温度为80～85℃，氟化反应的时间为30～35min。

本发明提供了一种β-碳化硅微粉的提纯方法，包括以下步骤：将碳化硅干粉料与硫酸溶液和水混合，进行氧化反应，得到碳化硅悬浊液；所述硫酸溶液的质量浓度为50～60％；所述氧化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；将所述碳化硅悬浊液与氢氟酸混合，进行氟化反应，得到β-碳化硅微粉；所述氢氟酸的质量浓度为20～30％；所述氟化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.15～0.4)mL；所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(5～15)g：1mL。本发明以硫酸溶液和氢氟酸为腐蚀剂，分两步对碳化硅微粉进行化学提纯，首先利用硫酸与铁的氧化反应去除铁单质，再利用氟离子与硅的氟化反应去除游离硅，并通过控制氧化反应和氟化反应的温度和时间以及原料的比例，在保证碳化硅微粉纯度的同时，实现高效提纯。实验结果表明，本发明提供的提纯方法中化学反应在1h左右，碳化硅微粉的纯度在99.42％以上。

附图说明

图1为实施例1中碳化硅干粉料与水混合后得到的悬浊液的宏观图；

图2为实施例1中氟化反应完成得到的悬浊液的宏观图；

图3为实施例1提纯得到的β-碳化硅微粉的宏观图。

具体实施方式

本发明提供了一种β-碳化硅微粉的提纯方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅干粉料与硫酸溶液和水混合，进行氧化反应，得到碳化硅悬浊液；所述硫酸溶液的质量浓度为50～60％；所述氧化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；

(2)将所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液与氢氟酸混合，进行氟化反应，得到β-碳化硅微粉；所述氢氟酸的质量浓度为20～30％；所述氟化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；

所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.15～0.4)mL；

所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(5～15)g：1mL。

本发明提供的提纯方法适用于现有技术常规方法制备得到碳化硅干粉料。在本发明中，所述碳化硅干粉料中杂质的质量含量优选为10～30％，更优选为15～25％；所述杂质的种类优选包括铁单质和游离硅。

本发明将碳化硅干粉料与硫酸溶液和水混合，进行氧化反应，得到碳化硅悬浊液。本发明采用硫酸溶液与碳化硅干粉料混合，利用硫酸与铁的氧化反应去除碳化硅干粉料中的杂质铁单质。

在本发明中，所述硫酸溶液的质量浓度为50～60％，优选为55～58％。本发明对所述硫酸溶液的配制方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的配制方法配制即可。在本发明中，所述硫酸溶液的质量浓度在上述范围内时能够保证硫酸溶液中氢离子的含量，从而实现对杂质铁单质的有效去除。

在本发明中，所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.15～0.4)mL，优选为1g：(0.2～0.35)mL，更优选为1g：0.3mL。在本发明中，所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比在上述范围内时，能够缩短氧化反应的时间，实现碳化硅微粉的高效提纯。

在本发明中，所述水优选为自来水或去离子水。本发明对所述水的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述水作为溶剂，用于溶解碳化硅干粉料。

在本发明中，所述碳化硅干粉料的质量与水的体积比优选为1g：(1～2)mL，更优选为1g：1.5mL。在本发明中，所述碳化硅干粉料的质量与水的体积比在上述范围内时能够在不浪费水资源的同时保证原料的溶解。

在本发明中，所述碳化硅干粉料与硫酸溶液和水混合的操作优选为：将碳化硅干粉料先与水混合，再与硫酸溶液混合。本发明对所述碳化硅干粉料先与水混合，再与硫酸溶液混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。在本发明中，先将碳化硅干粉料与水混合，再与硫酸溶液混合能够提高原料的混合程度。

在本发明中，所述氧化反应的温度为70～90℃，优选为80～85℃；所述氧化反应的时间为25～40min，优选为30～35min。在本发明中，所述氧化反应的温度在上述范围内时能够缩短氧化反应的时间，实现碳化硅微粉的高效提纯。

在本发明中，所述氧化反应优选在恒温水浴锅内进行。本发明对所述恒温水浴锅的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的恒温水浴锅即可。

氧化反应完成后，本发明优选将所述氧化反应得到的产物依次进行冷却和水洗，得到碳化硅悬浊液。

本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，将氧化反应得到的产物冷却至室温即可。

在本发明中，所述水洗所采用的水优选为自来水或去离子水；所述水洗优选为：将冷却得到的产物与水混合后沉降，然后排出上清液，得到碳化硅悬浊液。本发明对所述与水混合、沉降和排出上清液的操作没有特殊的限定，只要保证碳化硅悬浊液的pH在4～5之间即可。在本发明中，所述碳化硅悬浊液的pH在4～5之间有利于后续反应的进行。

得到碳化硅悬浊液后，本发明将所述碳化硅悬浊液与氢氟酸混合，进行氟化反应，得到β-碳化硅微粉。本发明将碳化硅悬浊液与氢氟酸混合，利用氟离子与硅的氟化反应去除碳化硅干粉料中的杂质游离硅。

在本发明中，所述氢氟酸的质量浓度为20～30％，更优选为25～28％。本发明对所述氢氟酸的配制方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的配制方法配制即可。在本发明中，所述氢氟酸的质量浓度在上述范围内时能够保证氟离子的含量，从而实现对杂质游离硅的有效去除。

在本发明中，所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(5～15)g：1mL，更优选为(10～13)g：1mL。在本发明中，所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比在上述范围内时能够缩短氟化反应的时间，实现碳化硅微粉的高效提纯。

在本发明中，所述碳化硅悬浊液与氢氟酸混合的操作优选为在所述碳化硅悬浊液中加入氢氟酸。本发明对所述碳化硅悬浊液中加入氢氟酸的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合操作即可。

在本发明中，所述氟化反应的温度为70～90℃，优选为80～85℃；所述氟化反应的时间为25～40min，优选为30～35min。在本发明中，所述氟化反应的温度和时间在上述范围内时能够缩短氟化反应的时间，实现碳化硅微粉的高效提纯。

在本发明中，所述氟化反应优选在恒温水浴锅内进行。本发明对所述恒温水浴锅的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的恒温水浴锅即可。

氟化反应完成后，本发明优选对所述氟化反应得到的产物依次进行冷却、水洗和烘干，得到β-碳化硅微粉。

本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，将氟化反应得到的产物冷却至室温即可。

在本发明中，所述水洗的操作优选为在冷却得到的产物中反复加去离子水清洗和过滤，然后反复加纯净水清洗和过滤。

本发明对所述反复加水清洗和过滤的次数没有特殊的限定，直到上清液的pH在6～7之间停止即可。在本发明中，所述反复加纯净水清洗的次数优选为3次。

本发明对所述烘干的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的烘干操作即可。

本发明以硫酸溶液和氢氟酸为腐蚀剂，分两步对碳化硅微粉进行化学提纯，首先利用硫酸与铁的氧化反应去除铁单质，再利用氟离子与硅的氟化反应去除游离硅，能够提高氧化反应和氟化反应的程度，提高碳化硅微粉的纯度，并通过控制氧化反应和氟化反应的温度和时间以及原料的比例，在保证碳化硅微粉纯度的同时，实现高效提纯。

本发明提供的提纯方法操作简单，原料简单，设备便宜，成本较低，碳化硅微粉的纯度能够达到常规碳化硅半导体生产标准。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

对A公司生产的β-碳化硅干粉料进行提纯，步骤如下：

(1)在纯度90％的碳化硅干粉料(碳化硅干粉料中杂质含量为10wt％)30g中加入去离子水45mL混合，再加入质量浓度为60％的硫酸溶液4.5mL混合，在恒温水浴锅中进行氧化反应，氧化反应结束后，冷却至室温，将自来水加入到冷却得到的产物，进行混合，再依次沉降和排出上清液，得到pH为4的碳化硅悬浊液；其中，碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：0.15mL；碳化硅干粉料的质量与水的体积比为1g：1.5mL；氧化反应的温度为90℃，时间为30min；

(2)在所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液中加入质量浓度为30％的氢氟酸3mL，在恒温水浴锅中进行氟化反应，氟化反应结束后，冷却至室温，先用自来水反复清洗和过滤至pH为6.6，再用纯净水反复清洗和过滤3次，烘干，得到β-碳化硅微粉；其中，碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为10g：1mL；氟化反应的温度为90℃，时间为30min。

对得到的β-碳化硅微粉进行纯度检测，其纯度为99.42％，提纯中化学反应的时间为1h。

图1为实施例1中碳化硅干粉料与水混合后得到的悬浊液的宏观图；图2为实施例1中氟化反应完成得到的悬浊液的宏观图；图3为实施例1提纯得到的β-碳化硅微粉的宏观图。结合图1和2可以看出，提纯过程中发生了化学反应。

实施例2

对A公司生产的β-碳化硅干粉料进行提纯，步骤如下：

(1)在纯度90％的碳化硅干粉料(碳化硅干粉料中杂质含量为10wt％)30g中加入去离子水45mL混合，再加入质量浓度为60％的硫酸溶液6mL混合，在恒温水浴锅中进行氧化反应，氧化反应结束后，冷却至室温，将自来水加入到冷却得到的产物中，进行混合，再依次沉降和排出上清液，得到pH为4的碳化硅悬浊液；其中，碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：0.2mL；碳化硅干粉料的质量与水的体积比为1g：1.5mL；氧化反应的温度为90℃，时间为30min；

(2)在所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液中加入质量浓度为30％的氢氟酸3mL，在恒温水浴锅中进行氟化反应，氟化反应结束后，冷却至室温，先用自来水反复清洗和过滤至pH为6.6，再用纯净水反复清洗和过滤3次，烘干，得到β-碳化硅微粉；其中，碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为10g：1mL；氟化反应的温度为90℃，时间为30min。

对得到的β-碳化硅微粉进行纯度检测，其纯度为99.50％，提纯中化学反应的时间为1h。

实施例3

对A公司生产的β-碳化硅干粉料进行提纯，步骤如下：

(1)在纯度90％的碳化硅干粉料(碳化硅干粉料中杂质含量为10wt％)100g中加入去离子水150mL混合，再加入质量浓度为60％的硫酸溶液20mL混合，在恒温水浴锅中进行氧化反应，氧化反应结束后，冷却至室温，将自来水加入到冷却得到的产物中，进行混合，再依次沉降和排出上清液，得到pH为4.2的碳化硅悬浊液；其中，碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：0.2mL；碳化硅干粉料的质量与水的体积比为1g：1.5mL；氧化反应的温度为90℃，时间为30min；

(2)在所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液中加入质量浓度为30％的氢氟酸10mL，在恒温水浴锅中进行氟化反应，氟化反应结束后，冷却至室温，先用自来水反复清洗和过滤至pH为6.8，再用纯净水反复清洗和过滤3次，烘干，得到β-碳化硅微粉；其中，碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为10g：1mL；氟化反应的温度为90℃，时间为30min。

对得到的β-碳化硅微粉进行纯度检测，其纯度为99.80％，提纯中化学反应的时间为1h。

实施例4

对B公司生产的β-碳化硅干粉料进行提纯，步骤如下：

(1)在纯度90％的碳化硅干粉料(碳化硅干粉料中杂质含量为10wt％)100g中加入去离子水150mL混合，再加入质量浓度为60％的硫酸溶液20mL混合，在恒温水浴锅中进行氧化反应，氧化反应结束后，冷却至室温，将自来水加入到冷却得到的产物中，进行混合，再依次沉降和排出上清液，得到pH为4的碳化硅悬浊液；其中，碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：0.2mL；碳化硅干粉料的质量与水的体积比为1g：1.5mL；氧化反应的温度为90℃，时间为30min；

(2)在所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液中加入质量浓度为30％的氢氟酸10mL，在恒温水浴锅中进行氟化反应，氟化反应结束后，冷却至室温，先用自来水反复清洗和过滤至pH为6.6，再用纯净水反复清洗和过滤3次，烘干，得到β-碳化硅微粉；其中，碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为10g：1mL；氟化反应的温度为90℃，时间为30min。

对得到的β-碳化硅微粉进行纯度检测，其纯度为99.60％，提纯中化学反应的时间为1h。

从以上实施例可以看出，本发明提供的提纯方法能够对碳化硅微粉进行高效提纯，且得到的碳化硅微粉纯度较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种β-碳化硅微粉的提纯方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅干粉料与硫酸溶液和水混合，进行氧化反应，得到碳化硅悬浊液；所述硫酸溶液的质量浓度为50～60％；所述氧化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；

(2)将所述步骤(1)得到的碳化硅悬浊液与氢氟酸混合，进行氟化反应，得到β-碳化硅微粉；所述氢氟酸的质量浓度为20～30％；所述氟化反应的温度为70～90℃，时间为25～40min；

所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.15～0.4)mL；

所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(5～15)g：1mL。

2.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(1)碳化硅干粉料中杂质的质量含量为10～30％。

3.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(1)中硫酸溶液的质量浓度为55～58％。

4.根据权利要求2或3所述的提纯方法，其特征在于，所述碳化硅干粉料的质量与硫酸溶液的体积比为1g：(0.2～0.35)mL。

5.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳化硅干粉料的质量与水的体积比为1g：(1～2)mL。

6.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化反应的温度为80～85℃，氧化反应的时间为30～35min。

7.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳化硅悬浊液的pH值为4～5。

8.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(2)中氢氟酸的质量浓度为25～28％。

9.根据权利要求8所述的提纯方法，其特征在于，所述碳化硅干粉料的质量与氢氟酸的体积比为(10～13)g：1mL。

10.根据权利要求1所述的提纯方法，其特征在于，所述步骤(2)中氟化反应的温度为80～85℃，氟化反应的时间为30～35min。

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