[发明专利]高性能α相碳化硅晶须的制造方法

说明书

本发明涉及2H相碳化硅（分子式为SiC）晶须制造方法，这是一种碳化硅的单晶体的、短纤维状的无机材料，主要用作高温陶瓷的增强增韧剂，也可用于补强金属和塑料。属于材料研究领域，尤其是以陶瓷为主的复合材料领域。

晶须能否达到增韧的效果，以及增韧效果的大小，与晶须的质量有很大的关系。其中最重要的是晶须的高温热稳定性和高温化学稳定性。因为作为基体材料的Si₃N₄、SiC陶瓷需要经过一个1700～1850℃的高温烧结过程才能致密化。在这样高的温度下，SiC晶须很容易发生热分解或与周围的物质发生化学反应而影响晶须原有的质量。目前，国际市场上的晶须多为VLS法制造的β相SiC晶须。这种晶须的制备温度在1400～1500℃。在合成温度以下晶须基本上是稳定的，但是，在1450℃以上，晶须变得不稳定，会发生热分解或与复合基体起反应。日本东海碳素公司所制备的晶须被认为是比较好的晶须，但是，他们的研究指出，该晶须在1400℃以上发生剧烈分解而导致显著的失重。也有关于复合材料在烧结后晶须消失了的报道。所以复合材料要求晶须具有超高温稳定性。

本发明的目的是为了制造能够耐更高温度的、热稳定性能更好的晶须，这就是α相（2H）碳化硅晶须。

本发明的主要内容是：

以含硅化合物为原料，将原料放在石墨坩埚容器内加热到一定温度。高温下氮化硅分解产物和石墨蒸发产物于保护气氛中在生长容器上化合、堆积从而形成2H相碳化硅晶须。

附图说明：

图1是本发明晶须合成装置示意图

图2是2H相SiC晶须的X射线粉末衍射图

图3是2H相SiC晶须的聚合体形貌

图4是2H相SiC晶须的显微形貌

制造2H相碳化硅晶须须用化学分解法，使用的原料以固态含硅化合物为主，例如氮化硅或者碳化硅粉末。这些氮化硅粉末可以是新鲜的工业原料、也可以是工业废料或者实验室的试验废料。粉体中硅的含量要在30%重量比以上和70%以下。少于30%，则或无晶须产生，或所得晶须过分微小以至于不符合质量要求。但是原料中含硅量也不能太高，含硅量太高，大于70%重量比时，容器中同时生长出多种晶须，不能得到纯的α相晶须。更不能使用金属硅的粉末，因为金属硅在1600℃以上的温度下蒸发太快，晶须生长速度不易控制，晶须质量不易保证。为了使晶须的生长过程易于控制，最好将原料粉碎到1～100μm之间。

图1是晶须合成装置示意图，图中1是石墨发热体，2是原料，3是石墨坩埚，4是支撑体。将粉碎了的氮化硅粉末装入石墨坩埚内。也可将石墨坩埚分成两个部分，一部分装入氮化硅粉料，而另一部分装入石墨粉或者碳粉。在石墨坩埚的下部分填充满原料粉体，而在坩埚容器的上半部分插入晶须生长基板。若有该生长基板，晶须主要生长在基板上;若无基板，则晶须主要附着在坩埚的内壁以及原料粉体的周围生长。生长基板可以做成平直的板状。也可以做成其他形状以增加生长表面积。

将原料加热到1600～1950℃以上才能生长出比较好的晶须。低于1600℃时，不仅生长速度慢，效率低，而且难于得到高温稳定性能好的α相晶须。高于1950℃时，不仅晶须生长设备变得困难，所得晶须的成本高，而且晶须的堆积速度慢，效率低。

α相晶须的生长，必须在保护气氛中进行，没有保护气氛，则不能得到纯的2H相晶须。保护气体可以是氮气、氩气和氧气中的任何一种或三种的混合物。保护气氛的压力也是重要参数，通过调节保护气体的压力，可以调节硅原料的分解速度，进而控制晶须的生长速度，以保证晶须的质量。视生长温度和原料的种类不同，保护气体的压力可以控制在1大气压到20大气压之间。

晶须的生长时间的不同，直接影响晶须的直径和长度。生长时间越长，晶须的尺寸越大。对于用于增韧氮化硅陶瓷的晶须，其直径要求在1～3μm。在1800℃下生长3～6小时即可。

当容器冷却后，即可将生长容器内和生长基板上的晶须收集起来。这些晶须表面往往附着有多余的碳或者硅，所以在使用前须经过处理。处理方法是将晶须浸泡在稀氢氟酸溶液中数分钟除去硅，然后再放在电炉中加热到700℃除碳数小时即可。