CN102718217A

CN102718217A - 一种高纯线状碳化硅粉及其制备方法

Info

Publication number: CN102718217A
Application number: CN2012101560707A
Authority: CN
Inventors: 张丹; 王世敏; 董兵海; 卢红兵; 赵丽; 许祖勋; 万丽; 丁岩峰
Original assignee: WUHAN WEILIN FURNACE LINING MATERIAL CO Ltd; Hubei University
Current assignee: WUHAN WEILIN FURNACE LINING MATERIAL CO Ltd; Hubei University
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: CN102718217B

Abstract

一种高纯线状碳化硅粉及其制备方法，线状碳化硅粉产品呈浅绿色、立方晶系，微观结构呈线状，碳化硅的含量不低于99%。本发明的制备方法是，硅溶胶与氧化石墨烯混合均匀，超声波处理，强力搅拌，得复合前驱体。复合前驱体固化干燥后，研磨得细腻而均质的粉末状前驱体。粉末状前驱体通入氩气，在高温管式炉中，高温下进行碳热还原得碳化硅微粉粗品；碳化硅微粉粗品在无机酸中浸泡后抽滤，滤渣高温烧结，除去未反应的碳，冷却后得到含量不低于99%的碳化硅粉体。本发明硅源为硅溶胶，碳源为氧化石墨烯，无需后续处理，无需加压、加金属催化剂，工艺简单、生产周期短；先制得均质性前驱体，再进行碳热还原反应，产品纯度高，能大批量工业化生产。

Description

一种高纯线状碳化硅粉及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷制备技术领域，具体涉及一种高纯线状碳化硅粉及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)材料是继二代半导体发展起来的一种新型半导体材料。它所特有的宽带隙(Eg>2.3ev)、高热导率（θ_K=4.9W cm^-1K^-1）、高临界击穿电场(V=3.0MV cm^-1)、高载流子饱和漂移(ζsat=2.0×10⁷cm S^-1)等特点，在高温、大功率、高频、光电子和抗辐射等方面的应用潜力较大。像地热钻井、石油、航空航天、核能开发等领域用到了其高温和抗辐射的特殊性能；对于高频、高功率，SiC器件则是用在雷达、通信和广播电视领域。可以看出，SiC材料未来必将以其优异的物理和化学性能在高科技领域中展现其重要的应用价值。

典型的SiC晶体结构一般分为两大类：一类是称为3C或β-SiC的闪锌矿结构的立方SiC晶型，另一类是称为α-SiC的六角型或菱形结构的大周期结构，典型的有6H、4H、15R等。由于β-SiC的键能最小，晶格自由能最大，因此它也最容易成核，生长所需要的温度也相对最低。从化学性质上来说，因为碳硅堆积层之间间距基本相等，不同SiC多型体在Si-C双层密排面的晶格排列完全相同，所以它们所具有的化学性质基本相同；而对于物理性质，由于这些同质多型体之间具有很高的能量势垒，因此，即使在基本成分相同的情况下，它们之间的物理性质，特别是半导体特性也各不相同。此外，β-SiC是仅次于金钢石的最硬的高性能材料之一，其超高硬度和密度使其可理想地适用于经受高磨损和滑动磨损的部件，适用于各种研磨作用尤其超精密研磨。

碳热还原反应是目前合成碳化硅粉体的主要方法之一，工业生产中称为Acheson法，传统的方法是采用石英砂、二氧化硅粉体、硅粉作为硅源；石墨、碳粉和一些含碳高分子如淀粉、酚醛树脂、沥青作为碳源，近年来为了得到不同形貌的碳化硅粉体也有采用具有纤维结构的树脂类材料作为碳源，可以看出，该法中所使用到的硅源本身杂质含量多，不利于得到纯度较高的产品，所使用的碳源也非常有限，并且当使用粉体材料作为反应碳源和硅源时所发生的固相反应接触面积有限，不利于充分反应。存在硅源杂质含量高、反应不充分、所得率低等问题，

有关碳化硅粉体制备的专利申请较多，如公开号CN101597059、CN101704523、CN101215187、CN101177268、CN101876095、CN1844493、CN1834309、CN1724351、CN101850972、CN1472136的专利申请。这些方法大多采用硅粉、二氧化硅粉为硅源，石墨、炭黑、气态氢化物为碳源，有的还使用了金属作为催化剂，加压等方法，耗费大量能源并且制备过程复杂。

以氧化石墨烯作为碳源还尚未见报道。而且由于氧化石墨烯的优异性能，对其多方面的应用研究将具有十分重要的意义

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种制备工艺简单、生产成本低、生产周期短、产品纯度高的一种高纯线状碳化硅粉及其制备方法。

本发明目的的实现方式为，一种高纯线状碳化硅粉，呈浅绿色、立方晶系，微观结构呈线状，碳化硅的含量不低于99%。

一种高纯线状碳化硅粉的制备方法，具体步骤如下：

（1）将硅溶胶与氧化石墨烯按100：16-36的重量百分比混合均匀后，先经超声波处理15-30分钟，超声波频率20-120kHz，再强力搅拌2-4小时，得复合前驱体；

所述的硅溶胶为二氧化硅含量5%-30%，pH值2-7，粒径大小为6-30nm之间的酸性硅溶胶；

所述的氧化石墨烯为具有良好片层结构的碳材料；

（2）将复合前驱体在干燥箱中固化干燥48h后，采用高速球磨机研磨2小时，得细腻而均质的粉末状前驱体；

所述干燥方法是真空干燥、鼓风干燥或冷冻干燥，

（3）将粉末状前驱体放入高温管式炉，通入纯度达99.99%的氩气，在1400-1600℃下进行碳热还原反应2-8小时，得到碳化硅微粉粗品；

（4）将碳化硅微粉粗品在无机酸中浸泡2-4小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下于400-700℃下烧结1-9小时，除去未反应的碳，冷却后得到含量不低于99%的碳化硅粉体；

所述的无机酸是浓度为10%-20%的氢氟酸和/或硝酸，氢氟酸与硝酸的混合比为任意比。

本发明所用的硅源为含有高反应活性的二氧化硅纳米粒子的硅溶胶，碳源为具有片层结构的氧化石墨烯，不但避免了高分子碳源在还原反应中残留的有害衍生物，无需后续处理；整个反应没有涉及到加压和使用金属催化剂，从而进一步简化了生产工艺步骤。利用氧化石墨烯的良好分散性与硅溶胶充分混合，先制得均质性前驱体，再进行碳热还原反应，从而保证了后续还原反应的充分性，产率高。

本发明工艺简单、生产成本低、生产周期短、产品纯度高，能大批量工业化生产。

附图说明

图1是实例1制备的β-SiC的X射线衍射（XRD）图，

图2是实例1制备的β-SiC的扫描电子显微镜（SEM）图。

具体实施方式

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物，是碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，由一层碳原子构成，可在二维空间无限延伸，二维基面上连有一些含氧官能团，这使得它能够吸收大量水分子，具有良好的亲水性，分散性、与聚合物的兼容性，从而在本发明中能够与硅溶胶充分混合。

本发明产品呈浅绿色、立方晶系，微观结构呈线状，碳化硅的含量不低于99%。

本发明制备方法是，硅溶胶与氧化石墨烯混合均匀，超声波处理，强力搅拌，得复合前驱体。复合前驱体固化干燥后，研磨得细腻而均质的粉末状前驱体。粉末状前驱体通入氩气，高温下进行碳热还原得碳化硅微粉粗品；碳化硅微粉粗品在无机酸中后抽滤，滤渣烧结除去未反应的碳，冷却后得到含量不低于99%的碳化硅粉体。

下面结合实施例详述本发明。

实施例一：

（1）将5.0克硅溶胶与1.15克氧化石墨烯混合均匀后，先经超声波处理30分钟，超声波频率20-120kHz，再在强力机械搅拌下搅拌3小时，得复合前驱体；所选用的酸性硅溶胶中二氧化硅含量为30%，pH值为2.0，粒径大小为6nm；

（2）将得到的复合前驱体在鼓风干燥箱中固化干燥48h后进行采用高速球磨机研磨2小时，得到细腻而均质的粉末状前驱体；

（3）将粉末状前驱体放入高温管式炉，通入高纯氩气，在1500℃下进行碳热还原反应6小时；得到碳化硅微粉粗品；

（4）将所得碳化硅微粉粗品在浓度为20%的氢氟酸中浸泡2小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下，400℃烧结9小时，除去未反应的碳，冷却后得到纯净的碳化硅粉体。

实施例二：

（1）将7.2克硅溶胶与1.15克氧化石墨烯混合均匀后，先经超声波处理15分钟，超声波频率20kHz，再在强力机械搅拌下搅拌2小时，得复合前驱体；所选用的酸性硅溶胶中二氧化硅含量为20%，pH值为2.4，粒径大小为20nm；

（2）将得到的复合前驱体在真空干燥箱中固化干燥24h后进行采用高速球磨机研磨2小时，得到细腻而均质的粉末状前驱体；

（3）将粉末状前驱体放入高温管式炉，通入高纯氩气，在1400℃下进行碳热还原反应8小时；得到碳化硅微粉粗品；

（4）将所得碳化硅微粉粗品在浓度为10%的氢氟酸中浸泡2小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下，700℃烧结5小时，除去未反应的碳，冷却后得到纯净的碳化硅粉体。

实施例三：

（1）将5.0克硅溶胶与1.8克氧化石墨烯混合均匀后，先经超声波处理20分钟，超声波频率80kHz，再在强力机械搅拌下搅拌4小时，得复合前驱体；所选用的酸性硅溶胶中二氧化硅含量为30%，pH值为2.0，粒径大小为6nm；

（2）将得到的复合前驱体在鼓风干燥箱中固化干燥24h后进行采用高速球磨机研磨2小时，得到细腻而均质的粉末状前驱体；

（3）将粉末状前驱体放入高温管式炉，通入高纯氩气，在1600℃下进行碳热还原反应2小时；得到碳化硅微粉粗品；

（4）将所得碳化硅微粉粗品在浓度为10%的氢氟酸和10%的硝酸酸组成的混合酸中浸泡3小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下，500℃烧结8小时，除去未反应的碳，冷却后得到纯净的碳化硅粉体。

实施例四：

（1）将5.0克硅溶胶与0.8克氧化石墨烯混合均匀后，先经超声波处理15分钟，超声波频率60kHz，再在强力机械搅拌下搅拌3小时，得复合前驱体；所选用的酸性硅溶胶中二氧化硅含量为10%，pH值为7.0，粒径大小为20nm；

（2）将得到的复合前驱体在冷冻干燥箱中固化干燥24h后进行采用高速球磨机研磨2小时，得到细腻而均质的粉末状前驱体；

（4）将所得碳化硅微粉粗品在浓度为20%的硝酸中浸泡4小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下，600℃烧结5小时，除去未反应的碳，冷却后得到纯净的碳化硅粉体。

实施例五：

（1）将5.0克硅溶胶与0.8克氧化石墨烯混合均匀后，先经超声波处理25分钟，超声波频率120kHz，再在强力机械搅拌下搅拌4小时，得复合前驱体；所选用的酸性硅溶胶中二氧化硅含量为5%，pH值为6.0，粒径大小为20nm；

（3）将粉末状前驱体放入高温管式炉，通入高纯氩气，在1500℃下进行碳热还原反应7小时；得到碳化硅微粉粗品；

（4）将所得碳化硅微粉粗品在浓度为8%的氢氟酸中浸泡3.5小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下，700℃烧结1小时，除去未反应的碳，冷却后得到纯净的碳化硅粉体。

实施例六：

（1）将5.0克硅溶胶与1.15克氧化石墨烯混合均匀后，先经超声波处20分钟，超声波频率120kHz，再在强力机械搅拌下搅拌2小时，得复合前驱体；所选用的酸性硅溶胶中二氧化硅含量为20%，pH值为3.0，粒径大小为30nm；

（3）将粉末状前驱体放入高温管式炉，通入高纯氩气，在1400℃下进行碳热还原反应7小时；得到碳化硅微粉粗品；

（4）将所得碳化硅微粉粗品在浓度为10%的硝酸中浸泡3小时后抽滤，滤渣在空气存在条件下，600℃烧结4小时，除去未反应的碳，冷却后得到纯净的碳化硅粉体。

Claims

1.一种高纯线状碳化硅粉，其特征在于呈浅绿色、立方晶系，微观结构呈线状，碳化硅的含量不低于99%。

2.一种制备权利要求1所述的高纯线状碳化硅粉的方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）将硅溶胶与氧化石墨烯按100：16-36的重量百分比混合均匀后，先经超声波处理15-30分钟，超声波频率20-120kHz，再在强力搅拌2-4小时，得复合前驱体；

所述的氧化石墨烯为具有良好片层结构的碳材料；

所述干燥方法是真空干燥、鼓风干燥或冷冻干燥，

3.根据权利要求2所述的一种制备高纯线状碳化硅粉的方法，其特征在于前驱体是置于刚玉坩埚后放入高温管式炉通入氩气，进行碳热还原反应。