CN113548666A

CN113548666A - 一种亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺

Info

Publication number: CN113548666A
Application number: CN202110940019.4A
Authority: CN
Inventors: 茹红强; 冯东; 秦肇伯; 孙是昊; 任全兴; 夏乾; 王伟; 张翠萍; 岳新艳
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2021-08-16
Filing date: 2021-08-16
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2041-08-16
Also published as: CN113548666B

Abstract

本发明的一种亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，属于碳化硅除铁技术领域，包括步骤如下：将称量好需要酸洗的SiC粉体倒入浓度为0.05～0.2mol/L的酸洗剂溶液中，进行超声辅助搅拌酸洗，超声功率为180W～270W，获得酸洗浆料；酸洗浆料经去离子水反复冲洗，获得水洗后SiC粉体；水洗后SiC粉体干燥后进行Fe杂质含量检测。本发明利用超声辅助搅拌酸洗方式，由于超声波的引入会诱导大量的空气泡产生，并且空气泡的坍塌能够在酸液中产生局部高温和高压气流，提高粉体在酸液中的扩散性及分散性，以解决亚微米级SiC粉体极易团聚，在水中不易分散的技术问题，进而提高化学反应速率，且大幅提高粉体中铁的去除率。

Description

一种亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺

技术领域：

本发明属于碳化硅除铁技术领域，具体涉及一种亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺。

背景技术：

SiC作为一种高温结构材料被我们所熟知，其具有高强度、高弹性模量、高热膨胀系数、良好的抗热震性和耐酸碱腐蚀性等性能。由于SiC材料具有这些优异的性能故常常被应用于微电子、机械密封、航空航天和热交换等工业领域。而作为制备SiC陶瓷所用原料的SiC微粉对烧结后SiC陶瓷的各项性能有着显著影响，为了获得性能优异的SiC陶瓷，生产厂家对SiC粉体的颗粒大小、粒型、纯度和流动性等提出了严格的要求。

目前，工业上多采用较为经济的Acheson方式生产SiC，由于作为基础材料中的石英砂、石油焦、煤炭和工业食盐等原料在高温冶炼过程中不可避免的会带入其它杂质，因此使得冶炼后SiC块体的纯度不高，这其中就包括常见的Fe、游离C、游离Si，SiO₂、O及其它常见的金属及金属氧化物杂质。另外，SiC冶炼块体在经过逐级破碎以及后期存放过程中均会导致不同的杂质引入到粉体中。相比较而言，SiC粉体中赋存含量最高且最为常见的杂质往往都是Fe杂质，并且大量Fe杂质的存在会严重影响SiC的各项性能以及应用范围。因此，如何快速并有效地对SiC微粉进行除Fe处理显得尤为重要。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种除杂效果好、酸量可控、工艺简单、操作周期短，特别是对碳化硅微粉中影响烧结质量的铁杂质去除效果好的亚微米级碳化硅粉体的酸洗提纯方法，从而获得适合无压烧结碳化硅陶瓷使用要求的碳化硅粉体。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括步骤如下：

步骤1，酸洗提纯：

将称量好需要酸洗的SiC粉体倒入酸洗剂溶液中，进行超声辅助搅拌酸洗，获得酸洗浆料；其中，所述的酸洗剂溶液浓度为0.05～0.2mol/L，超声功率为180W～270W；

步骤2，水洗：

酸洗浆料经去离子水反复冲洗，获得水洗后SiC粉体；

步骤3，干燥检测：

水洗后SiC粉体干燥后进行Fe杂质含量检测。

所述步骤1中，SiC粉体的平均粒径为0.5μm，酸洗剂为不与SiC发生反应的盐酸(AR，36～38％)、硫酸(AR，95～98％)、硝酸(AR，65～68％)或氢氟酸(AR，≥40％)中的一种或几种，将酸洗剂配制成浓度为0.05～0.2mol/L的酸洗剂溶液。

所述步骤1中，SiC粉体中包含的主要杂质及质量含量为O 0.98～1.85％、free-Si0.52～1.68％、free-C 0.22～0.67％、Fe 0.084～0.159％、Ti 0.0185～0.051％、Al0.0081～0.0174％、Ni 0.0085～0.0194％、V 0.0025～0.0082％。

所述步骤1中，超声辅助搅拌酸洗的条件为：按液固比为(4～6):1，将待酸洗的SiC粉体倒入酸洗剂溶液中，酸洗温度为50～80℃，超声频率为40～150kHz，搅拌速度为100～400rpm，酸洗时间为30～180min。

所述步骤1中，超声辅助搅拌酸洗的条件优选为：按液固比为5:1，将待酸洗的SiC粉体倒入装有酸洗剂溶液的烧杯中，酸浓度为0.15mol/L、酸洗温度为80℃，超声频率为45kHz，搅拌速度为400rpm，超声功率为270W，酸洗时间为180min。

所述的步骤2中，水洗具体过程为：酸洗浆料注入到洗净的烧杯中，同时加入去离子水后静置；待粉体充分沉降后，倒出上层清液，再次加入去离子水；反复对酸洗后的SiC粉体进行冲洗直至调节pH值达到6～7。

所述步骤2中，每隔30min，用针筒取出50ml的酸洗浆料注入到洗净的烧杯中，并利用沉降法进行水洗，使用pH试纸随时测量pH值。

所述的步骤3中，干燥检测具体过程为：

水洗后SiC粉体移入由去离子水洗净的培养皿中，并放入烘箱内烘干，收集一部分干燥完成的粉体进行Fe杂质含量检测。

所述步骤3中，粉体在110℃烘箱中干燥6h后封存备用。

所述步骤3中，取出2g酸洗干燥后的SiC粉体，并利用ICP-OES对其进行Fe元素含量分析。

所述步骤3中，铁杂质的去除率为92.6～96.1％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

本发明的有益效果：

本发明利用超声辅助搅拌酸洗方式，由于超声波的引入会诱导大量的空气泡产生，并且空气泡的坍塌能够在酸液中产生局部高温和高压气流，提高粉体在酸液中的扩散性及分散性，以解决亚微米级SiC粉体极易团聚，在水中不易分散的技术问题，进而提高化学反应速率，本发明所采用的工艺简单，只需经过一次酸洗就可以获得适合无压烧结碳化硅陶瓷使用要求的碳化硅粉体，且操作周期短成本低，将SiC粉体倒入配制好浓度的酸液中，在搅拌、超声和加热的条件下，只需反应30～180min即可完成，除铁效果好：SiC粉体经酸洗、水洗后，除Fe率可达96％以上，并且粉体中的杂质含量可分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％；酸量可控且环保：针对SiC粉体要求Fe杂质赋存含量的不同，可通过调整其它酸洗工艺参数，保证高效Fe杂质去除率的前提下，减少了酸用量，杜绝了不必要的生产浪费及环境污染。

附图说明：

图1为本发明实施例1中酸种类对除Fe率的影响曲线。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例中采用的SiC粉体重量纯度＞96％，粒度范围0.3～1.5μm。

本发明实施例中采用的BS224S型电子天平进行称重。

本发明实施例中的超声辅助搅拌酸洗过程使用的设备为KQ-300VDE型三频数控超声波清洗器，JB300-SH型数显恒速强力搅拌器。

本发明实施例中采用Optima 8300DV型电感等离子体发生光谱检测SiC粉体中的Fe元素含量。

本发明实施例中处理的SiC粉体中包含的主要杂质及质量含量为O＝1.34％、free-Si＝1.04％、free-C＝0.34％、Fe＝0.102％、Ti＝0.0221％、Al＝0.0128％、Ni＝0.0112％、V＝0.0054％。

实施例1

基于亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括如下步骤：

步骤1，准备：用去离子水清洗实验用品；使用容量瓶配制实验所需浓度酸溶液并做封存备用。

步骤2，酸洗提纯：首先在超声波清洗器中装入一定量的清水，设定超声波清洗器的工作温度并进行加热；选择盐酸、硫酸、硝酸和氢氟酸作为酸洗剂，通过控制酸洗参数，液固比为5:1，酸浓度均为0.15mol/L，酸洗温度为70℃，搅拌速度为300rpm，超声功率为240W，超声频率为45kHz，酸洗时间为180min；待超声波清洗器内的水温达到设定温度并稳定后，将70g待酸洗的SiC粉体倒入装有350ml酸溶液的烧杯中(液固比5:1)，调整搅拌器的搅拌速度，同时启动超声波清洗器和搅拌器，开始进行酸洗。

步骤3，取样并水洗：每隔30min用塑料针筒取出50ml的酸洗浆料并注入到洗净的烧杯中，同时加入去离子水后静置；待粉体充分沉降后，倒出上层清液，再次加入去离子水；反复对酸洗后的SiC粉体进行冲洗直至调节pH值达到6～7。

步骤4，干燥：水洗后的SiC粉体移入由去离子水洗净的培养皿中，并放入烘箱110℃烘箱中干燥6h后封存备用。

步骤5，检测：取出2g酸洗干燥后的SiC粉体并利用ICP-OES对其进行Fe元素含量分析，经检测，酸种类对除Fe率的影响曲线如图1所示。

本实施例中在氢氟酸作为酸洗剂的条件下，碳化硅粉体的Fe杂质去除率可达92.6％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

实施例2

基于亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括如下步骤：

步骤2，酸洗提纯：首先在超声波清洗器中装入一定量的清水，设定超声波清洗器的工作温度并进行加热；选择氢氟酸作为酸洗剂，通过控制酸洗参数，液固比为5:1，酸浓度为0.20mol/L，酸洗温度为70℃，搅拌速度为300rpm，超声功率为240W，超声频率为45kHz，酸洗时间为180min；待超声波清洗器内的水温达到设定温度并稳定后，将70g待酸洗的SiC粉体倒入装有350ml酸溶液的烧杯中(液固比5:1)，调整搅拌器的搅拌速度，同时启动超声波清洗器和搅拌器，开始进行酸洗。

步骤5，检测：取出2g酸洗干燥后的SiC粉体并利用ICP-OES对其进行Fe元素含量分析。

本实施例中，0.20mol/L的酸浓度下碳化硅粉体的Fe杂质去除率可达93.6％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

实施例3

基于亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括如下步骤：

步骤2，酸洗提纯：首先在超声波清洗器中装入一定量的清水，设定超声波清洗器的工作温度并进行加热；选择氢氟酸作为酸洗剂，通过控制酸洗参数，液固比为5:1，酸洗温度为80℃，酸浓度为0.15mol/L，酸洗时间为180min，搅拌速度为300rpm，超声功率为240W，超声频率为45kHz；待超声波清洗器内的水温达到设定温度并稳定后，将70g待酸洗的SiC粉体倒入装有350ml酸溶液的烧杯中(液固比5:1)，调整搅拌器的搅拌速度，同时启动超声波清洗器和搅拌器，开始进行酸洗。

本实施例中，80℃的酸洗温度下碳化硅粉体的Fe杂质去除率可达95.3％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

实施例4

基于亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括如下步骤：

步骤2，酸洗提纯：首先在超声波清洗器中装入一定量的清水，设定超声波清洗器的工作温度并进行加热；选择氢氟酸作为酸洗剂，通过控制酸洗参数，液固比为5:1，超声频率为100kHz，酸浓度为0.15mol/L，酸洗温度为80℃，搅拌速率为300rpm，超声功率为240W，酸洗时间为180min；待超声波清洗器内的水温达到设定温度并稳定后，将70g待酸洗的SiC粉体倒入装有350ml酸溶液的烧杯中(液固比5:1)，调整搅拌器的搅拌速度，同时启动超声波清洗器和搅拌器，开始进行酸洗。

本实施例中，45kHz超声频率下碳化硅粉体的Fe杂质去除率可达93.9％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

实施例5

基于亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括如下步骤：

步骤2，酸洗提纯：首先在超声波清洗器中装入一定量的清水，设定超声波清洗器的工作温度并进行加热；选择氢氟酸作为酸洗剂，通过控制酸洗参数，液固比为5:1，搅拌速度为400rpm，酸浓度为0.15mol/L，酸洗时间为180min，酸洗温度为80℃，超声功率为240W，超声频率为45kHz；待超声波清洗器内的水温达到设定温度并稳定后，将70g待酸洗的SiC粉体倒入装有350ml酸溶液的烧杯中(液固比5:1)，调整搅拌器的搅拌速度，同时启动超声波清洗器和搅拌器，开始进行酸洗。

本实施例中，400rpm超声搅拌速度下碳化硅粉体的Fe杂质去除率可达95.8％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

实施例6

基于亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，包括如下步骤：

步骤2，酸洗提纯：首先在超声波清洗器中装入一定量的清水，设定超声波清洗器的工作温度并进行加热；选择氢氟酸作为酸洗剂，通过控制酸洗参数，液固比为5:1，超声功率为270W，酸浓度为0.15mol/L，酸洗时间为180min，酸洗温度为80℃，搅拌速度为400rpm，超声频率为45kHz；待超声波清洗器内的水温达到设定温度并稳定后，将70g待酸洗的SiC粉体倒入装有350ml酸溶液的烧杯中(液固比5:1)，调整搅拌器的搅拌速度，同时启动超声波清洗器和搅拌器，开始进行酸洗。

本实施例中270W超声功率条件下，碳化硅粉体的Fe杂质去除率可达96.1％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。

Claims

1.一种亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1，酸洗提纯：

将SiC粉体倒入酸洗剂溶液中，进行超声辅助搅拌酸洗，获得酸洗浆料；其中，所述的酸洗剂溶液浓度为0.05～0.2mol/L，超声功率为180W～270W；

步骤2，水洗：

酸洗浆料经去离子水反复冲洗，获得水洗后SiC粉体；

步骤3，干燥检测：

水洗后SiC粉体干燥后进行Fe杂质含量检测。

2.根据权利要求1所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述步骤1中，SiC粉体的平均粒径为0.5μm，酸洗剂为盐酸、硫酸、硝酸或氢氟酸中的一种或几种，将酸洗剂配制成浓度为0.05～0.2mol/L的酸洗剂溶液。

3.根据权利要求1所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述步骤1中，SiC粉体中包含的杂质及质量含量为O 0.98～1.85％、free-Si 0.52～1.68％、free-C0.22～0.67％、Fe 0.084～0.159％、Ti 0.0185～0.051％、Al 0.0081～0.0174％、Ni0.0085～0.0194％、V0.0025～0.0082％。

4.根据权利要求1所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述步骤1中，超声辅助搅拌酸洗的条件为：按液固比为(4～6):1，将待酸洗的SiC粉体倒入酸洗剂溶液中，酸洗温度为50～80℃，超声频率为40～150kHz，搅拌速度为100～400rpm，酸洗时间为30～180min。

5.根据权利要求4所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述步骤1中，超声辅助搅拌酸洗的条件为：按液固比为5:1，将待酸洗的SiC粉体倒入装有酸洗剂溶液的烧杯中，酸浓度为0.15mol/L、酸洗温度为80℃，超声频率为45kHz，搅拌速度为400rpm，超声功率为270W，酸洗时间为180min。

6.根据权利要求1所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述的步骤2中，水洗具体过程为：酸洗浆料注入到洗净的烧杯中，同时加入去离子水后静置；待粉体充分沉降后，倒出上层清液，再次加入去离子水，对酸洗后的SiC粉体进行冲洗直至调节pH值达到6～7。

7.根据权利要求1所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述步骤3中，利用ICP-OES对酸洗干燥后的SiC粉体进行Fe元素含量分析。

8.根据权利要求1所述的亚微米级碳化硅粉体的除铁工艺，其特征在于，所述步骤3中，铁杂质的去除率为92.6～96.1％，杂质含量分别降低到O＜1.10％、free-Si＜0.72％、free-C＜0.20％、Fe＜0.004％、Ti＜0.015％、Al＜0.0067％、Ni＜0.0003％、V＜0.0014％。