[發明專利]一種β-SiC微粉和晶須的合成方法

有效

• 申請號: 201310303598.7
• 申請日: 2013-07-19
• 公開（公告）號: CN103387231A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 張興材
• 申請（專利權）人: 張興材
• 主分類號: C01B31/36
• 分類號: C01B31/36
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 張貴賓

（一）????????技術領域

????本發明涉及固相合成碳化硅微粉技術領域，特別涉及一種β-SiC微粉和晶須的合成方法。

（二）????????背景技術

β-SiC微粉和晶須在光學儀器、電子器件、超精密研磨機金屬制品精加工、高級耐火材料、結構陶瓷材料等生產領域有十分廣闊的市場需求。目前β-SiC微粉和晶須合成方法有固相法、液相法和氣相法三種。固相法有Acheson法、ESK法、豎式爐法與高溫轉爐法、多芯爐法、碳硅直接反應法與自蔓延法等；液相法是20世紀80年代以來發展起來的，包括很多種，其中主要有沉淀法（直接沉淀法、均勻沉淀法、共沉淀法、溶膠-凝膠法等）、溶劑蒸發法、熱分解法、膠體化學法、水熱分解法、電解法和液相界面反應法。氣相法合成微粉是近年來發展的新技術，由于氣相反應速度快，反應物在高溫區停留時間短，生成微粉多為無定性的，主要包括以下幾種方法：氣相反應法（CVD）和蒸發-凝聚法(PVD)。

固相法是傳統的工業生產SiC粉末的主要方法，產量超過SiC總產量的90%，其原理是碳熱還原反應，具有原料便宜，易于實現工業化生產的優點。Acheson法是其中最主要的SiC生產方法，但該方法技術水平低，生產方式落后，污染嚴重，熱效率低、能耗高，生產不安全（容易噴爐）、產品質量低、產品附加值較低、CO氣體不回收，這與當前的國家節能減排政策大大相悖。近年來，各國都力圖改變這種高能耗、高污染、低產出的SiC生產方式，如生產爐大型化，改變電極的供電方式、CO氣體收集再利用，取得了一定的節能效果，但沒有從根本上改變其落后現狀。

但是，以上方法都未考慮在真空條件下合成SiC微粉和晶須，而且不能精確控制SiC微粉和晶須的合成溫度、氣氛和壓力，合成溫度高，致使β-SiC合成基本依靠技術經驗，這就給生產造成了一定的隨意性，難以一次性合成高純度微米級的β-SiC微粉和晶須。

（三）????????發明內容

????本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種工藝簡單、控制精確、生產成本低、產品純度高的β-SiC微粉和晶須的合成方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種β-SiC微粉和晶須的合成方法，以粉碎后混合均勻的碳質原料和硅質原料為反應料，包括如下步驟：

（1）碳質原料中的固定碳與硅質原料中的SiO₂的質量比為1:1.6~1.7，將反應料裝入真空電阻爐內，然后將反應料壓實至堆積密度為0.8~1.1g/cm³；

（2）在壓實后的反應料表面加蓋一塊多孔剛玉鋼板，封閉真空電阻爐爐體，對真空電阻爐抽真空至爐內壓力為100Pa以下，然后向真空電阻爐通電加熱至1400K~1500K，開始保溫；

（3）當真空電阻爐內壓力維持在10Pa以下超過60分鐘時，停止對真空電阻爐供電，自然冷卻，得到純度為98.5%以上的β-SiC微粉或β-SiC晶須。

本發明的更優方案為：

步驟（1）中，所述碳質原料為石油焦、無煙煤、煙煤和炭黑中的一種或幾種與石墨的混合物，其中石墨占混合物總質量的50~80%；所述硅質原料為石英石。

步驟（2）中，所述真空電阻爐的供電制度為，當反應料中心溫度小于800K時，控制真空爐表面負荷為6~8w/cm²，并且使真空度始終維持在100Pa以下；當反應料中心溫度在800~1200K時，控制真空電阻爐表面負荷為9~11w/cm²，并且使真空度始終維持在200Pa以下；當反應料中心溫度高于1200K以上時，控制真空電阻爐7~10w/cm²，并且使真空度始終維持在100Pa以下。

所述碳質原料粉碎后的粒度為45μm以下，硅質原料粉碎后的粒度為75μm以下。

本發明的基本反應方程為：3C(s)+?SiO₂(s)→SiC(s)?+2CO(g)。

該反應的標準吉布斯自由能可表示為：

，

又因為：

，

，

，

，

當，

。

根據下表所示，令，可以解得此條件下，該反應的平衡溫度為1507K，即該反應常壓下只要當溫度高于1507K才能發生，為了增強反應的動力，一般常壓合成β-SiC微粉的溫度要在1800K以上。