[发明专利]通过煅烧由碳水化合物和硅氧化物制备高纯度碳化硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过在升高的温度下硅氧化物与包含碳水化合物，特别是多种碳氢化合物的碳源的反应制备碳化硅和/或碳化硅-石墨颗粒的方法，特别涉及制备碳化硅或制备包含碳化硅的组合物及分离所述反应的产物的工业方法。本发明还涉及高纯度碳化硅、包含高纯度碳化硅的组合物及其作为催化剂和在制备电极和其它物品中的用途。

背景技术

碳化硅的别名是“金刚砂(carborundum)”。碳化硅是属于碳化物类的硅和碳的化合物，并具有化学式SiC。归因于其硬度和高熔点，碳化硅被用作研磨剂(金刚砂)和耐火材料组分。大量相对不纯的SiC被用作使用硅和碳将铸铁合金的冶金SiC。还可将其用作高温核反应器中燃料元件的隔离物或用于航天飞船中的防热砖。在与其它材料混合下，还将它作为硬混凝土的聚集剂以使工业地板耐磨。高品质钓鱼竿的导线环(ring)也由SiC构成。在工程陶瓷中，SiC因其广泛地有用性质，特别是因其硬度是最频繁使用的材料。

制备纯碳化硅的方法是通常已知的。迄今为止，通过改进的Lely法(J.A.Lely； Darstellung von Einkristallen von silicon carbide und Beherrschung von Art and Menge der eingebaut

在另一方法中，通过在1000℃至1800℃下使用氩气作为载气，通过气相沉积由甲基硅烷得到作为β-碳化硅粉末的碳化硅粉末。据称除了其它杂质之外，冶金杂质的含量小于1000ppm(Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbidpulvern aus der Gasphase，W.et al.，Ber.Dt.Keram.Ges.，55(1978)，No.4，233-237)。

DE 25 18 950教导了通过在等离子喷射反应区中的卤化硅、卤化硼和烃如甲苯的混合物的气相反应制备碳化硅。所得β-碳化硅的硼含量为0.2重量％至1重量％。

现有技术中方法的缺陷在于用于制备纯碳化硅的高原料成本和/或对水解敏感的复杂操作和/或可自燃的原料。

碳化硅的许多当今工业应用通常有非常高的纯度要求。因此，待反应的硅烷或卤代硅烷的杂质含量必须不超过几个mg/kg(ppm范围)，并且为了半导体工业中的后续应用，必须不超过几个μg/kg(ppb范围)。

本发明的目的是从显著更廉价的原料制备高纯度碳化硅并克服上述方法的缺陷。

已出人意料地发现通过二氧化硅和糖的混合物的反应，以及随后的热解和高温煅烧，作为混合比的函数可廉价地制备碳基质中的高纯碳化硅和/或二氧化硅基质中的碳化硅和/或组合物中包含二氧化碳和/或二氧化硅的碳化硅。优选地在碳基质中制备碳化硅。特别地，可得到在所述颗粒的内表面和/或外表面上具有外部碳基质，优选为石墨基质的碳化硅颗粒。然后通过利用空气的被动氧化，特别是通过由氧化反应除去所述碳而以简单的方式可得到纯形式的碳化硅。作为可选方案，通过高温和任选地在高真空下升华可进一步纯化和/或沉积碳化硅。碳化硅可在约2800℃的温度下升华。

所述目的通过权利要求1所述的本发明方法和通过权利要求11和12所述的组合物和通过权利要求13所述的碳化硅可实现。优选的实施方案描述于从属权利要求和说明书中。

发明内容

根据本发明，该目的通过在升高的温度下由硅氧化物(特别是二氧化硅和/或氧化硅)与包含碳水化合物的碳源的反应，特别是通过热解和煅烧而制备碳化硅的方法实现。

本发明提供制备碳化硅的技术方法和工业方法。所述反应可在150℃以上，优选400℃至3000℃的温度下进行，也可在相对低的温度下进行反应，在第一热解步骤(低温模式)中，特别是在400℃至1400℃下，并且在后续的高温煅烧步骤(高温模式)中，特别在1400℃至3000℃下，优选1400℃至1800℃下。所述热解和煅烧可在一个步骤中连续地直接进行或分两个独立步骤进行。例如，所述热解的方法产物可作为组合物压实并由其它使用者后续用以制备碳化硅或硅。

作为可选方案，硅氧化物和包含碳水化合物的碳源的反应可在低温范围下，如150℃以上，优选在400℃下开始，并且所述温度可连续或逐步上升至如1800℃或更高，特别是约1900℃。该步骤可有利于去除所形成的过程气体。