CN116375476A - 一种碳化硅陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。本发明还提供了一种上述制备方法制备的碳化硅陶瓷材料。本发明涉及一种适用于半导体制造的高纯度、高导热性的碳化硅陶瓷材料及其制备方法，采用碳源和硼源作为烧结助剂，同时以液相的形式引入硼源，提高了其分散性，以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种碳化硅陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
半导体产业主要分为芯片设计、晶圆制造和封装测试三个方面。其中，中国在芯片设计和封装测试方面能跟上国际先进技术，但是由于美国近年来对我国半导体制造业的一步步限制，使得我国在晶圆制造方面极为欠缺。
碳化硅陶瓷由于具有良好耐酸碱腐蚀性、耐磨擦摩损性、高强度、高硬度、良好的抗氧化性能、较高的抗热震性以及在极高的温度下有良好的尺寸性等物理与化学性能，可用于放射性、腐蚀性、剧毒、易燃、易爆、高温等诸多复杂工况条件。因此，在热机工程及机械密封行业中所显示的良好性能和应用潜力已逐步为人们所认识，已经获得了广泛应用。
随着国家对半导体行业的愈发重视，投入大量科研力量开始攻关半导体加工制造技术，希望能打破国外的垄断，制造出我们中国自己的高端芯片。而与此息息相关的便是半导体加工中所需要用到的各种器件。其中，由于高纯碳化硅(SiC)材料具有很多优异的性能，例如高强度、高硬度、优秀的高温稳定性、耐腐蚀性和等离子体耐用性等，因此在加工器件中占据了较大的比重。
目前半导体加工中使用的SiC陶瓷器件主要是通过重结晶烧结法制备的。由于重结晶的烧结温度很高(超过2400℃)，在此温度下许多杂质都会挥发掉。因此，重结晶SiC具有极高的纯度。但是其通过表面扩散和蒸发-凝聚机理来实现原子的传输和迁移，在这个过程中没有发生晶界扩散和体积扩散，因此不会发生体积收缩、致密度也不会提高，导致重结晶SiC存在抗弯强度较低和表面粗糙度值较高的缺点。
放电等离子烧结法可以在不添加烧结助剂的条件下制备出具有高致密度的SiC陶瓷，但是其烧结条件较为苛刻(2100℃，70MPa)，并且此方法仅适用于制备小尺寸的样品，不能制备大尺寸的陶瓷器件。
美国专利US 5422322发明了一种致密的自烧结的碳化硅/碳-石墨复合材料和一种用于制造复该合材料的方法。该复合材料包括碳化硅基体，2-30wt％的碳-石墨，碳-石墨由石墨表面包裹一层碳的前驱体构成，含10-20wt％石墨，至少5wt％的碳前驱体粘结剂如酚醛树脂等和(0.1-15wt％)少量的烧结助剂，如硼和游离碳。上述原料混合制备浆料，经造粒、干压、脱粘、烧成制备出复合材料。复合材料中碳化硅粒度在2和15微米之间，碳石墨的晶粒直径在10和75微米之间，且密度至少为理论密度的80％。
CN200910247865.7发明了一种添加酚醛树脂为碳源的固相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，酚醛树脂占粉体总量的5-30wt％，其裂解后样品中残C量为1.5-9wt％。其完全以酚醛树脂引入C源，通过调节C含量和烧成温度获得不同晶粒尺寸和形貌的致密SiC陶瓷。
常压固相烧结法能制备大尺寸、形状复杂的陶瓷器件。通过此方法制备的SiC陶瓷具有优异的物理、化学性能，并且其晶界干净。但是为了致密化必须加入少量的烧结助剂，而这些多余的烧结助剂可能在实际使用中污染晶圆、导致颗粒问题，降低良品率。
热压烧结是在烧结时给予烧结体单轴压力的一种烧结方法，在高温和高压的双重作用下，烧结驱动力得到提高，因此很容易使材料致密化。热压烧结虽然难以制备形状复杂的陶瓷器件，但是极其适合制备扁平状的器件，如晶圆承载盘等。在仅添加C源作为烧结助剂时，在2350℃，50MPa下保温3小时后，致密度仅能达到92％。
因此，迫切需要一种只需添加极少量的烧结助剂就能制备出高致密化的热压烧结碳化硅陶瓷材料的方法。
发明内容
本发明旨在克服现有碳化硅陶瓷材料制备方法的不足，基于不添加烧结助剂，难以使SiC陶瓷致密化的难题，本发明提供了一种热压烧结的高纯度、高导热碳化硅陶瓷材料及其制备方法。该方法采用热压固相烧结，通过加入极低含量的烧结助剂(硼源和碳源)，来达到半导体加工应用的要求。
第一个方面，本发明提供了一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；
步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；
步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。
碳化硅材料烧结机理表明：添加的碳在烧结过程中起到去除碳化硅颗粒表面二氧化硅，增加反应活性，同时阻碍碳化硅颗粒长大的作用。研究表明：选择D-果糖、葡萄糖或蔗糖作为碳源，原因在于果糖在水中或乙醇中均具有较高的溶解度，并且其为小分子，相对于传统的酚醛树脂、炭黑等碳源，其更容易分散均匀，使脱粘裂解后生成的碳原子能更好地与氧原子反应，从而降低所制备的SiC陶瓷材料中的残余碳含量。在本发明新型热压烧结碳化硅陶瓷材料的研制过程中，以液相的形式引入硼源，提高了其分散性，以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。根据本领域的公知常识，陶瓷的致密化程度越高，其热导率越高，本发明所制备的SiC陶瓷的致密度接近100％，而且本发明制备的SiC陶瓷的纯度高，其含有极少的硼元素和石墨第二相，从而减少杂质元素引起的声子散射，从而进一步提高热导率。并且通过碳热还原反应，在烧结过程中使素坯中的氧元素和游离碳反应去除，反应式如下所示：
2B2O3+7C＝B4C+6CO(g) (1)
SiO2+3C＝SiC+2CO(g) (2)
2SiO2+SiC＝3SiO(g)+CO(g) (3)
较佳地，所述烧结助剂包括碳源和硼源，所述碳源选自D-果糖、葡萄糖和蔗糖中的至少一种，所述硼源为硼单质或硼化合物。
较佳地，所述碳源为D-果糖，所述硼源为硼酸。
较佳地，所述碳源中碳元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.5-2wt％，所述硼源中硼元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.06-1wt％。
较佳地，步骤1)中，所述溶剂为水或无水乙醇，加热溶解的温度为70-90℃，所述的球磨过程使用行星式球磨机与SiC磨球。
较佳地，步骤2)中，烘干温度为70-90℃，烘干时间为5-7小时，脱粘气氛为真空，真空度小于20Pa，脱粘温度为600-900℃。
较佳地，步骤3)中，烧成气氛为惰性气氛，烧成温度为2000-2200℃，烧成压力为30-60MPa。
较佳地，所述碳化硅优选为α-SiC，所述α-SiC粉体的平均粒径为0.1-1μm，纯度≥99.5％。
第二个方面，本发明还提供了一种上述制备方法制备的碳化硅陶瓷材料，所述碳化硅陶瓷材料致密度大于99.5％，热导率大于160W/(m·K)。
较佳地，所述碳化硅陶瓷材料的纯度大于99.8wt％，游离碳喊含量小于0.14wt％，硼元素含量小于0.060wt％。
本发明的有益效果：
本发明涉及一种适用于半导体制造的高纯度、高导热性的碳化硅陶瓷材料及其制备方法，采用碳源和硼源作为烧结助剂，选择D-果糖、葡萄糖或蔗糖作为碳源，原因在于果糖在水中或乙醇中均具有较高的溶解度，并且其为小分子，相对于传统的酚醛树脂、炭黑等碳源，其更容易分散均匀，使脱粘裂解后生成的碳原子能更好地与氧原子反应，从而降低所制备的SiC陶瓷材料中的残余碳含量。同时以液相的形式引入硼源，提高了其分散性，以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。根据本领域的公知常识，陶瓷的致密化程度越高，其热导率越高，本发明所制备的SiC陶瓷的致密度接近100％，而且本发明制备的SiC陶瓷的纯度高，其含有极少的硼元素和石墨第二相，从而减少杂质元素引起的声子散射，从而提高热导率。
附图说明
图1为本发明的实施例1所制备的高纯SiC陶瓷的SEM图；
图2为本发明的实施例1所制备的高纯SiC陶瓷的XRD图；
图3为本发明的实施例2所制备的高纯SiC陶瓷的SEM图；
图4为本发明的实施例2所制备的高纯SiC陶瓷的XRD图；
图5为本发明的实施例3所制备的高纯SiC陶瓷的SEM图；
图6为本发明的对比例1所制备的SiC陶瓷的SEM图；
图7为本发明的对比例2所制备的SiC陶瓷的SEM图；
图8为本发明的对比例3所制备的SiC陶瓷的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明涉及一种适用于半导体制造的高纯度、高导热性的碳化硅陶瓷材料及其制备方法，采用碳源和硼源作为烧结助剂，选择D-果糖、葡萄糖或蔗糖作为碳源，原因在于果糖在水中或乙醇中均具有较高的溶解度，并且其为小分子，相对于传统的酚醛树脂、炭黑等碳源，其更容易分散均匀，使脱粘裂解后生成的碳原子能更好地与氧原子反应，从而降低所制备的SiC陶瓷材料中的残余碳含量。同时以液相的形式引入硼源，提高了其分散性，以最低的添加量使SiC陶瓷致密化。根据本领域的公知常识，陶瓷的致密化程度越高，其热导率越高，本发明所制备的SiC陶瓷的致密度接近100％，而且本发明制备的SiC陶瓷的纯度高，其含有极少的硼元素和石墨第二相，从而减少杂质元素引起的声子散射，从而提高热导率。
本发明提供了一种热压烧结的高纯度、高导热碳化硅陶瓷材料及其制备方法，解决了基于不添加烧结助剂，难以使SiC陶瓷致密化的难题，该方法采用热压固相烧结，通过加入极低含量的烧结助剂(硼源和碳源)，来达到半导体加工应用的要求。
本发明提供了一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；其中，所述烧结助剂包括碳源和硼源，所述碳源选自D-果糖、葡萄糖和蔗糖中的至少一种，更优选为D-果糖，所述硼源为硼单质或硼化合物，更优选为硼酸；所述碳源中碳元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.5-2wt％，所述硼源中硼元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.06-1wt％；
步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；
步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。
在一个实施方式中，步骤1)中，所述溶剂为水或无水乙醇，加热溶解的温度为70-90℃，所述的球磨过程使用行星式球磨机与SiC磨球。步骤2)中，烘干温度为70-90℃，烘干时间为5-7小时，脱粘气氛为真空，真空度小于20Pa，脱粘温度为600-900℃。步骤 3)中，烧成气氛为惰性气氛，烧成温度为2000-2200℃，烧成压力为30-60MPa。
在一个实施方式中，所述碳化硅为α-SiC，所述α-SiC粉体的平均粒径为0.1-1μm，纯度≥99.5％。
通过上述制备方法制备的碳化硅陶瓷材料的致密度大于99.5％，热导率大于160W/(m·K)，纯度大于99.8wt％，游离碳喊含量小于0.14wt％，硼元素含量小于0.060wt％。
实施例1
(1)浆料的制备
称取0.5g硼酸和7g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.1wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的1.3wt％)，置于装有20ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至80℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、150g无水乙醇、150g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ-SiC 粉的平均粒径为0.6μm，纯度为99.86％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为 300r/min，球磨时间为8小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为80℃，烘干时间为6 小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为900℃，保温时间为30分钟，真空度小于20Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2050℃，压强为40MPa，保温时间为120分钟，烧结气氛为氩气气氛。
所制备的SiC陶瓷的体积密度为3.2054g/cm3，热扩散系数为77.655mm2/s，比热容为0.657J/(g·K)。经计算，陶瓷的致密度为99.86％，热导率为163.5W/(m·K)。
通过GDMS测得陶瓷中的B元素含量仅为556ppm，通过碳硫分析仪测得游离碳含量为0.12wt％。
图1为实施例1所制备的高纯SiC陶瓷的SEM图，结果表明：所制备的SiC陶瓷晶界干净，无明显的第二相。
图2为实施例1所制备的高纯SiC陶瓷的XRD图谱，结果表明：所制备的SiC陶瓷主晶相为6H-SiC。
实施例2
(1)浆料的制备
称取1g硼酸和15g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.2wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的2.7wt％)，置于装有40ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至60℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、150g无水乙醇、150g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ-SiC粉的平均粒径为0.2μm，纯度为99.5％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为200r/min，球磨时间为48小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为60℃，烘干时间为12小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为600℃，保温时间为120分钟，真空度小于20Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2100℃，压强为20MPa，保温时间为60分钟，烧结气氛为氩气气氛。
所制备的SiC陶瓷的体积密度为3.2080g/cm3，热扩散系数为76.162mm2/s，比热容为0.657J/(g·K)。经计算，陶瓷的致密度为99.94％，热导率为160.5W/(m·K)。
通过ICP-OES测得陶瓷中的B元素含量为0.060wt％，通过碳硫分析仪测得游离碳含量为0.13wt％。
图3为实施例2所制备的高纯SiC陶瓷的SEM图，结果表明：所制备的SiC陶瓷晶界干净，没有明显的第二项。
图4为实施例2所制备的高纯SiC陶瓷的XRD图谱，结果表明：所制备的SiC陶瓷主晶相为6H-SiC。
实施例3
(1)浆料的制备
称取5g硼酸和11g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的1wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的2wt％)，置于装有40ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至80℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、150g无水乙醇、200g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ-SiC粉的平均粒径为0.8μm，纯度为99.5％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为400r/min，球磨时间为24小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为80℃，烘干时间为6 小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为1200℃，保温时间为120分钟，真空度小于100Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2000℃，压强为60MPa，保温时间为120分钟，烧结气氛为氩气气氛。
所制备的SiC陶瓷的体积密度为3.1974g/cm3，热扩散系数为78.431mm2/s，比热容为0.649J/(g·K)。经计算，陶瓷的致密度为99.61％，热导率为162.6W/(m·K)。
图5为实施例3所制备的高纯SiC陶瓷的SEM图，结果表明：所制备的SiC陶瓷晶界干净，没有明显的第二项，SiC晶粒较小，平均粒径为1.5μm。
实施例4
(1)浆料的制备
称取0.3g硼酸和3g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.06wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.5wt％)，置于装有10ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至80℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、100g无水乙醇、50g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ-SiC粉的平均粒径为0.3μm，纯度为99.5％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为100r/min，球磨时间为2小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为80℃，烘干时间为6 小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为600℃，保温时间为10分钟，真空度小于100Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2000℃，压强为80MPa，保温时间为120分钟，烧结气氛为氩气气氛。
所制备的SiC陶瓷的体积密度为3.1969g/cm3，热扩散系数为79.826mm2/s，比热容为0.649J/(g·K)。经计算，陶瓷的致密度为99.59％，热导率为165.6W/(m·K)。
通过ICP-OES测得陶瓷中的B元素含量为0.056wt％，通过碳硫分析仪测得游离碳含量为0.13wt％。
对比例1
(1)浆料的制备
称取0.45g硼酸和8g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.09wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的1.4wt％)，置于装有20ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至80℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、150g无水乙醇、150g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ- SiC粉的平均粒径为0.5μm，纯度为99.86％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为 300r/min，球磨时间为24小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为80℃，烘干时间为6 小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为900℃，保温时间为60分钟，真空度小于20Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2050℃，压强为40MPa，保温时间为60分钟，烧结气氛为氩气气氛。
经测试计算，陶瓷的致密度为86.59％。
通过ICP-OES测得陶瓷中的B元素含量为0.060wt％，通过碳硫分析仪测得游离碳含量为0.42wt％。
图6为对比例1所制备的SiC陶瓷的SEM图，结果表明：所制备的SiC陶瓷致密度较低，陶瓷内部存在大量气孔，气孔上吸附了较多的石墨蒸气。
对比例2
(1)浆料的制备
称取0.6g硼酸和3.4g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.12wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.6wt％)，置于装有10ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至80℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、150g无水乙醇、150g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ- SiC粉的平均粒径为0.3μm，纯度为99.5％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为300r/min，球磨时间为8小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为60℃，烘干时间为24小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为900℃，保温时间为30分钟，真空度小于20Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2050℃，压强为40MPa，保温时间为60分钟，烧结气氛为氩气气氛。
经测试计算，陶瓷的致密度为69.36％。
通过ICP-OES测得陶瓷中的B元素含量为0.048wt％，通过碳硫分析仪测得游离碳含量为0.12wt％。
图7为对比例2所制备的SiC陶瓷的SEM图，结果表明：所制备的SiC陶瓷致密度较低，陶瓷内部存在大量气孔。
对比例3
(1)浆料的制备
称取1.5g硼酸和10g D-果糖(B的添加量为ɑ-SiC粉体质量的0.3wt％，C的添加量为ɑ-SiC粉体质量的1.8wt％)，置于装有60ml去离子水的玻璃烧杯中，加热至80℃制备混合溶液。称取100gɑ-SiC粉、150g无水乙醇、100g SiC磨球以及所制备的混合溶液一起置于尼龙球磨罐中。将球磨罐放置于行星式球磨机中进行球磨。在可选的实施方式中，ɑ-SiC 粉的平均粒径为1μm，纯度为99.5％，SiC磨球的直径为5mm，球磨机的转速为300r/min，球磨时间为8小时。
(2)原粉的制备
将球磨后的陶瓷浆料放置于电热鼓风干燥箱中烘干，然后置于脱粘炉中脱粘，再经研磨和过筛后得到原料粉体。在可选的实施方式中，干燥箱温度设置为80℃，烘干时间为12小时，过筛所使用的筛子选用100目筛。真空脱粘温度为900℃，保温时间为30分钟，真空度小于20Pa。
(3)陶瓷的制备
将粉体置于石墨模具中，经热压烧结后得到高纯度、高导热SiC陶瓷。在可选的实施方式中，烧结温度为2100℃，压强为30MPa，保温时间为120分钟，烧结气氛为氩气气氛。
经测试计算，陶瓷的致密度为98.93％。
通过ICP-OES测得陶瓷中的B元素含量为0.180wt％，通过碳硫分析仪测得游离碳含量为0.20wt％。
图8为对比例3所制备的SiC陶瓷的SEM图，结果表明：所制备的SiC陶瓷虽然比较致密，但是陶瓷内部仍然存在少量气孔，且气孔内有一些石墨第二相。
Claims (10)
1.一种碳化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、将烧结助剂溶于水中加热溶解配成混合溶液，将该混合溶液、碳化硅粉末和溶剂经过球磨混合，得到陶瓷浆料；
步骤(2)、将步骤(1)得到的陶瓷浆料烘干、脱粘、研磨、过筛，得到原料粉体；
步骤(3)、将步骤(2)得到的原料粉体置于模具中经过热压烧结后，即得所述碳化硅陶瓷。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂包括碳源和硼源，所述碳源选自D-果糖、葡萄糖和蔗糖中的至少一种，所述硼源为硼单质或硼化合物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为D-果糖，所述硼源为硼酸。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述碳源中碳元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.5-2wt％，所述硼源中硼元素的加入量为碳化硅粉体质量的0.06-1wt％。
5.根据权利要求1或4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述溶剂为水或无水乙醇，加热溶解的温度为70-90℃，所述的球磨过程使用行星式球磨机与SiC磨球。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，烘干温度为70-90℃，烘干时间为5-7小时，脱粘气氛为真空，真空度小于20Pa，脱粘温度为600-900℃。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，烧成气氛为惰性气氛，烧成温度为2000-2200℃，烧成压力为30-60MPa。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅优选为α-SiC，所述α-SiC粉体的平均粒径为0.1-1μm，纯度≥99.5％。
9.一种根据权利要求1-8中任一所述制备方法制备的碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅陶瓷材料致密度大于99.5％，热导率大于160W/(m·K)。
10.根据权利要求9所述的碳化硅陶瓷材料，其特征在于，所述碳化硅陶瓷材料的纯度大于99.8wt％，游离碳喊含量小于0.14wt％，硼元素含量小于0.060wt％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20230704 |