[发明专利]一种工业化大规模生产碳化硅粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高纯SiC粉体的一种工业化规模生产方法。

背景技术

碳化硅从诞生之日起，就以其高硬度、化学稳定及耐腐蚀性好、热稳定性好、热膨胀系数小、热导率高、掺杂性能高等诸多优势，成为无机非金属材料中引人注目的优良品种。其中，超细碳化硅粉体更由于其较高的化学反应性能和较好的均一性等优越性质，位列结构陶瓷、功能陶瓷、半导体元器件等应用领域的优选原材料。碳化硅陶瓷在国防、微电子、化工、石油、机械、冶金等诸多领域都大显身手。因此，工业化大规模地制备碳化硅粉体是非常有必要而且有意义的。

目前，合成碳化硅的方法非常多，既有固相合成，也有液相和气相合成。具体而言，常见的方法有碳热合成法、机械合金法、溶胶-凝胶法、高温自蔓延合成法、热分解法、各种化学气相沉积法等。由于成本、工艺、设备、废弃物处理难易程度等诸多条件的限制，可以实现大规模工业化的方法中只有碳热合成法与机械合成法比较适合。然而碳化硅粒子硬度很高，而且容易团聚，使得机械合成法难易制备高纯、超细、性质均一的碳化硅粉体，从而使得这种方法在制造高纯碳化硅粉体上不是很适合。而传统的碳热合成法又有工艺过程较为复杂、原材料纯度难以达到高纯产品标准、污染较重以及生产人员劳动强度大等等缺陷。因此，如何改进传统的碳热合成法，使得它可以在节能、高效的条件下规模化地生产高纯碳化硅粉体，成为解决高纯超细碳化硅材料工业生产、乃至降低碳化硅陶瓷和半导体产品的生产成本的关键。

传统的碳热合成法使用石英砂和碳反应制备碳化硅粉体，其中石英砂的主要成分SiO₂与碳C在电炉中反应形成SiC。但是其硅源和碳源的纯度直接限制了产物的纯度，电炉的反应条件限制了理想的粒径分布。为此，后续研究者不仅对设备进行了改进，而且提出了许多新的碳源，如炭黑、酚醛树脂、淀粉等作为碳源；并且在硅源上也做了许多新的尝试，例如硅溶胶或硅酸盐等。这些硅源和碳源或者生产成本太高以至于不适合规模化，或者在生产成本可以接受的范围内无法达到很高的纯度，限制了它们成为工业化高纯SiC粉体制备的最佳选项。

在专利US2014301933提到了一种改进的碳热还原法制备SiC的技术。该专利中，将硅酸质的硅源如二氧化硅，与碳质如炭黑和油焦，以C/SiO₂的摩尔比2.5~4的比例混合，然后放入Acheson炉中1600~3000℃高温处理得到碳化硅。该方法劳动强度大，耗能高，操作工序复杂，并且需要使用特殊的专门设备。

在专利CN 105324332中报道了用常温下为液体的硅源如硅酸甲酯、常温下为液态的碳源如酚醛树脂和常温下为液态的催化剂如马来酸混合并固化以后，在氮气或氩气中在800℃至1300℃下加热30~120分钟碳化，然后在氮气或氩气氛围中1350℃至2000℃加热0.5~3小时合成碳化硅。此种方法生产的纯度较高，避免了Acheson法生产过程中由于原料不纯净引入的各种杂质元素污染。但是这种方法操作工艺复杂，对设备要求较高。

在中国专利CN 1636870A中报道了一种合成SiC微米粉体的方法。在该方法中，用粒度小于15微米的硅源、碳源如酚醛树脂和酒精以质量比1：(0.5~2)：2混合，经过热处理、冷却、注射压力、老化、干燥处理以后，在600~1000℃高温碳化1~12小时，1200~2000℃烧结0.5~8小时，得到亚微米甚至纳米级的碳化硅粉体。该方法能够成本低、能耗低地制备SiC粉体。但本方法需要额外消耗酒精，不是非常经济。

沈阳大学龙海波的硕士学位论文中报道了一种合成碳化硅粉体的方法。以SiO₂和活性炭为起始原料，添加稀土La或Ce，可以在1500下保温120~150分钟得到碳化硅粉体。该方法大幅降低了能耗，减轻了生产成本和设备压力。然而，这个过程引入的稀土元素很有可能干扰产品的纯度，并且影响粉体的后续使用。因此，该方法不适合在工业上大规模地制备高纯碳化硅粉体。

发明内容

针对上述现有技术的种种问题，本发明的目的是提供一种工业化生产高纯碳化硅粉体的方法。

本发明包括以下步骤：

1）将硅源与氢气混合在环境温度>1000℃条件下反应，得到纯度>4N的 Si粉；

将具有小分子有机物的碳源提纯后在无氧条件下高温碳化得到纯度>4N的C粉；

2）将所述Si粉和C粉以1∶1的摩尔比混合后，加入高纯水进行水解反应，得到SiO₂和C的均质浆料；