CN113501524A - 一种碳化硅粉末的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳化硅制备技术领域，具体地，涉及一种碳化硅粉末的制备方法。本发明的制备方法，包括以下步骤：1)将碳质原料粉末与硅酸质原料粉末置于容器中混合，然后对容器加热，反应生成初始碳化硅晶体；2)将步骤1)制得的初始碳化硅晶体制成粉末，将粉末装入真空密封装置；3)对步骤2)的真空密封装置加热，加热温度500～1700℃，加热完成后制得碳化硅粉末。本发明解决了原料中杂质含有率高，难以进行杂质的控制，因此无法制造高纯度的碳化硅粉末的问题。

Description

一种碳化硅粉末的制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅制备技术领域，具体地，涉及一种碳化硅粉末的制备方法。

背景技术

金刚砂又名碳化硅是用石英砂、石油焦、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。一、黑碳化硅含SiC约95％，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。二、绿碳化硅含SiC约97％以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。

作为工业上批量生产碳化硅的技术，已知的一种方法，将含硅的硅酸质原料和含碳的碳质原料作为原料，在艾奇逊炉中以1600℃以上的条件进行加热，由此通过直接还原反应来制造碳化硅。

在以往所进行的这种利用艾奇逊炉的制造中，原料中杂质含有率高，难以进行杂质的控制，因此无法制造高纯度的碳化硅粉末，因此，本发明提出了对纯度低的碳化硅粉末进行高纯度化的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种碳化硅粉末制造及其制备方法，解决了原料中杂质含有率高，难以进行杂质的控制，因此无法制造高纯度的碳化硅粉末的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的碳化硅粉末的制备方法，包括以下步骤：

1)将碳质原料粉末与硅酸质原料粉末置于容器中混合，然后对容器加热，反应生成初始碳化硅晶体；

2)将步骤1)制得的初始碳化硅晶体制成粉末，将粉末装入真空密封装置；

3)对步骤2)的真空密封装置加热，加热温度500～1700℃，加热完成后制得碳化硅粉末。

根据本发明所述的制备方法，其中优选地，所述碳质原料和硅酸质原料的混合摩尔比为2.5～4.0，进一步优选地，所述碳质原料和硅酸质原料的杂质含有率均在120ppm以下。

再一步优选地，所述碳质原料为碳粉、高纯石墨(纯度≥99.9％)、炭黑、碳纳米管、树脂、聚乙烯醇等中一种或两种以上，所述硅酸质原料为二氧化硅、硅溶胶、高纯石英粉(纯度≥99.9％)等中的一种或两种以上。

根据本发明所述的制备方法，其中优选地，步骤1)所述加热的温度为2200℃以上，优选2300～2500℃，加热时间为20～60分钟。

根据本发明所述的制备方法，其中优选的，步骤2)所述真空密封装置的真空度为9×10^-5～1×10^-2torr。进一步地，所述真空密封装置本发明不做特别限定，可以使用本领域公知的任意真空密封装置，例如但不限于真空密封燃烧瓶，也可以是工业用真空反应釜。

根据本发明所述的制备方法，其中优选地，步骤3)所述加热的时间为20～60分钟。

其中，所述步骤2)中将初始碳化硅晶体制成的粉末(碳化硅粉末)含有一次粒子凝集而成的粒子，所述一次粒子中，粒度为1μm以上、1mm以下的粒子的比例为90体积％以上。

进一步优选的还可以但不限于以热传导率为0.05～0.15W/m·K的方式将上述初始碳化硅粉末收容于坩埚内并添加1％～7％的酚醛树脂、三氧化二铁、纳米二氧化硅、甲苯、氯化铵中的一种或几种做添加剂，并对其加热，使碳化硅单晶在设置于坩埚上盖的底面部分的碳化硅籽晶上生长。此处，对初始粗碳化硅粉末做处理的加热温度500～1000℃，2～6小时。

该碳化硅粉末制造及其制备方法，通过搅拌棒持续搅拌，能够使得碳粉可以和二氧化硅粉末充分接触，从而充分的使得碳粉可以氧化二氧化硅，避免了原料多余未反应，又利用合理的碳粉与二氧化硅反应比，使得碳粉可以氧化二氧化硅，避免了原料多余未反应，保证了原料使用的合理性，避免了原料浪费未使用的问题，提高了反应过后该碳化硅粉末的纯度，提高了该方法的实用性；通过设置在第三步加热为2200℃以上，保证了碳粉和二氧化硅粉末反应的充分，从而充分的使得碳粉可以氧化二氧化硅，避免了原料多余未反应，有利用在第五步中在真空环境加热提纯，直接高温反应消耗过多的杂质，避免了原料多余未反应和杂质过多的问题，提高了反应过后该碳化硅粉末的纯度，提高了该方法的合理性；解决了原料中杂质含有率高，难以进行杂质的控制，因此无法制造高纯度的碳化硅粉末的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明的碳化硅粉末的制备方法相对于现有技术，具备以下有益效果：

本发明相对现有的艾奇逊炉直接合成法、有机聚合物分解法、碳热还原法、气相法及溶胶凝胶法相比工艺简单，设备投资小，易产业化，并且本发明通过一次碳化合成结晶后(常见工艺为600℃低温碳化，1400℃高温合成，2100℃转相)再进行低温复烧(添加还原剂、助烧剂，促进转相)，所制备的碳化硅α相占比可以达到99.5％以上，在碳化结晶、复烧过程中可以对碳化硅材料起到提纯作用(在轴向温度梯度的驱动下，气相组分向温度相对低的生长界面(晶体/气相界面)运动，并在生长界面上吸附、迁移、结晶与脱附，如果这个过程持续一定时间，生长界面将稳定地向生长原料区推移，最终生成碳化硅晶体，另外不引入其他杂志元素，材料本身纯度得到保证，高纯碳化硅粉料的纯度和晶体结构对碳化硅单晶质量具有举足轻重的作用。

具体实施方式

以下通过实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于举例说明的目的，并没有限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。

实施例1

一种碳化硅粉末制造及其制备方法，碳化硅粉末通过对硅小片与碳粉末的混合物进行加热并其后将混合物粉碎而形成，碳化硅粉末的微观由表面粗糙、外形圆整、没有尖锐棱角的碳化硅颗粒组成，包括以下操作步骤：

第一步：反应容器与加热装置的选择和放置

选择一个环境良好的化学实验室，在实验台上放置一个三脚架，然后选择一个蒸发皿，使用坩埚钳取将蒸发皿在三脚架上，然后在蒸发皿的下方放置一个相适配的酒精喷灯；

第二步：寻找对应制备原材料并选择反应比例

利用微型天平分别称出五十克碳粉和两百克二氧化硅粉末，然后依次将碳粉和二氧化硅粉末倒入蒸发皿中；

第三步：碳化硅的制备

点燃酒精喷灯，对准蒸发皿的底部，然后进行加热，2200℃持续半个小时，然后盖上酒精喷灯灯盖，停止加热，同时继续使用搅拌棒对碳粉和二氧化硅粉末进行搅拌，直至蒸发皿自然冷却至常温；

第四步：碳化硅粉末的制备

利用坩埚钳取将蒸发皿内冷却碳化硅晶体倒入坩埚中，利用碾压棒对坩埚内的碳化硅晶体进行碾磨成粉，然后将碳化硅粉末装入广口瓶密封收集；

第五步：碳化硅粉末的除杂

将碳化硅粉末加入真空密封燃烧瓶中，利用酒精喷灯对燃烧瓶直接进行加热，1500℃持续半小时，然后自然冷却，将冷却过后的碳化硅粉末导入细口瓶进行密封收集，即可。

碳化硅粉纯度＞99.99％，碳化硅粉中杂质元素含量如下表1所示：

表1碳化硅粉中杂质元素含量(ppm)

项目	Na	Mg	K	Ca	V	Mn	Fe	Cu	Zn	Ga	P	La	Ce	As	Cd	Cr	Ni	Ag	Zr
																				1#样品	8.5	6.1	1.9	12.6	0.3	1.9	5.0	0.3	0.0	1.4	3.0	0.0	0.0	0.1	0.0	0.9	1.9	0.0	8.2
2#样品	10.7	5.9	1.7	12.5	0.3	1.6	3.4	0.2	0.0	1.8	5.1	0.0	0.0	0.6	0.0	0.6	2.7	0.0	6.3

利用该碳化硅粉末制备的碳化硅衬底片指标：4英寸和6英寸衬底片：衬底XRD摇摆曲线半高宽小于60arcsec；微管密度小于5个/cm²；表面粗糙度小于0.15nm；形貌-20<Bow<20、Warp≤30、TTV≤15、SBIR≤4。

实施例2

一种碳化硅粉末制造及其制备方法，所述碳化硅粉末通过对二氧化硅与碳粉末的混合物进行加热并其后将所述混合物粉碎而形成，碳化硅粉末的微观由表面粗糙、外形圆整、没有尖锐棱角的碳化硅颗粒组成，包括以下操作步骤：

第一步：反应容器与加热装置的选择和放置

选择一个环境良好的化学实验室，在实验台上放置一个三脚架，然后选择一个蒸发皿，使用坩埚钳取将蒸发皿在三脚架上，然后在蒸发皿的下方放置一个相适配的酒精喷灯；

第二步：寻找对应制备原材料并选择反应比例

在实验室找到碳粉和二氧化硅粉末材料，利用微型天平分别称出五十克碳粉和三百克二氧化硅粉末，然后依次将碳粉和二氧化硅粉末倒入蒸发皿中，利用搅拌棒搅拌五分钟；

第三步：碳化硅的制备

点燃酒精喷灯，对准蒸发皿的底部，然后进行加热，同时使用搅拌棒对碳粉和二氧化硅粉末进行搅拌，2500℃持续20分钟，然后盖上酒精喷灯灯盖，停止加热，同时继续使用搅拌棒对碳粉和二氧化硅粉末进行搅拌，直至蒸发皿自然冷却至常温；

第四步：碳化硅粉末的制备

利用坩埚钳以热传导率为0.05～0.15W/m·K的方式将上述初始碳化硅粉末收容于坩埚内并添加3wt％的酚醛树脂然后800℃加热4h，加热后利用碾压棒对坩埚内的碳化硅晶体进行碾磨成粉，然后将碳化硅粉末装入广口瓶密封收集；

第五步：碳化硅粉末的除杂

将碳化硅粉末加入真空密封燃烧瓶中，利用酒精喷灯对燃烧瓶直接进行加热，500℃持续1小时，然后自然冷却，将冷却过后的碳化硅粉末导入细口瓶进行密封收集，即可。

本实施例所制得的碳化硅粉末指标与实施例1相当。

实施例3

一种碳化硅粉末制造及其制备方法，所述碳化硅粉末通过对硅小片与碳粉末的混合物进行加热并其后将所述混合物粉碎而形成，碳化硅粉末的微观由表面粗糙、外形圆整、没有尖锐棱角的碳化硅颗粒组成，包括以下操作步骤：

第一步：反应容器与加热装置的选择和放置

选择一个环境良好的化学实验室，在实验台上放置一个三脚架，然后选择一个蒸发皿，使用坩埚钳取将蒸发皿在三脚架上，然后在蒸发皿的下方放置一个相适配的酒精喷灯；

第二步：寻找对应制备原材料并选择反应比例

在实验室找到碳粉和二氧化硅粉末材料，利用微型天平分别称出五十克碳粉和一百克二氧化硅粉末，然后依次将碳粉和二氧化硅粉末倒入蒸发皿中，利用搅拌棒搅拌五分钟；

第三步：碳化硅的制备

点燃酒精喷灯，对准蒸发皿的底部，然后进行加热，同时使用搅拌棒对碳粉和二氧化硅粉末进行搅拌，2300℃持续1个小时，然后盖上酒精喷灯灯盖，停止加热，同时继续使用搅拌棒对碳粉和二氧化硅粉末进行搅拌，直至蒸发皿自然冷却至常温；

第四步：碳化硅粉末的制备

利用坩埚钳取将蒸发皿内冷却碳化硅晶体倒入坩埚中，利用碾压棒对坩埚内的碳化硅晶体进行碾磨成粉，然后将碳化硅粉末装入广口瓶密封收集；

第五步：碳化硅粉末的除杂

将碳化硅粉末加入真空密封燃烧瓶中，利用酒精喷灯对燃烧瓶直接进行加热，1700℃持续20min，然后自然冷却，将冷却过后的碳化硅粉末导入细口瓶进行密封收集，即可。

本实施例所制得的碳化硅粉末指标与实施例1相当。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种碳化硅粉末的制备方法，包括以下步骤：

1)将碳质原料粉末与硅酸质原料粉末置于容器中混合，然后对容器加热，反应生成初始碳化硅晶体；

2)将步骤1)制得的初始碳化硅晶体制成粉末，将粉末装入真空密封装置；

3)对步骤2)的真空密封装置加热，加热温度500～1700℃，加热完成后制得碳化硅粉末。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳质原料和硅酸质原料的混合摩尔比按C：Si计为2.5～4.0。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳质原料为碳粉、高纯石墨、炭黑、碳纳米管、树脂、聚乙烯醇中一种或两种以上，所述硅酸质原料为二氧化硅、硅溶胶、高纯石英粉中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳质原料和硅酸质原料的杂质含有率均在120ppm以下。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述加热的温度为2200℃以上，加热时间为20～60分钟。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述真空密封装置的真空度为9×10^-5～1×10^-2torr。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述加热的时间为20～60分钟。