专利名称：碳化硅晶片的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化硅晶片的制备方法，尤其是一种用双重加热技术制备碳化硅晶片的方法。
背景技术：
碳化硅晶片是一种微细的片状单晶体，直径一般为3-300μm，厚度0.5-15μm。与晶须相比，晶片的优点是价格较低、纯度很高、热稳定性好和缺陷少，因而晶片被认为是最具吸引力的晶须替代物。与晶须增韧相比，晶片增韧具有如下优点晶片具有很好的分散性和流动性，更易均匀分散于基体中，复合材料中可以有很高的加入量(10-70％)，且与基体复合的效果优于球状粒子。晶片尺寸大，其表面与基体反应产生的影响不大，裂纹偏转机制可得到较好发挥。沿用一般陶瓷制备工艺，使用无压烧结法可使复合材料致密化。一维的晶须只能使与之垂直方向的裂纹偏转，而二维的晶片可使裂纹在二维方向偏转，且可避免材料强度的各向异性。碳化硅晶片为α-SiC，在1800℃以上有很好的热稳定性，特别适合于制备高温陶瓷复合材料。此外，碳化硅晶片还可用于制备高模量的合金材料和增强高分子材料，因为晶片在与金属复合时有较好的润湿性。
目前，碳化硅晶片的制备在国内外一般都采用高温合成法，由于碳化硅晶片的合成温度很高，一般为1800-2500℃，所以只能采用石墨作发热体的加热炉。石墨电热体在高温下容易被氧化和侵蚀，使用寿命较短。受合成原料导热性能差的影响，加热炉的炉膛不能太大，每次合成的碳化硅晶片数量有限，致使碳化硅晶片的产量低、价格高，所以合成碳化硅晶片的关键在于高温加热技术。由于常规加热合成法具有许多缺点，所以碳化硅晶片在国内不但未能实现产业化生产，而且实验室研究的也很少。在国外虽然实现了碳化硅晶片的工业化生产，但生产厂家极少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、合成工艺简单、易于规模化生产碳化硅晶片的制备方法。该法制备的碳化硅晶片表面光洁、大小均匀、径厚比大、产率高。
本发明可通过以下步骤来实现1)将固体的碳质原料和硅质原料按一定的比例配料，添加相应比例的矿化剂和催化剂，并充分混合均匀；2)将混合好的原料装入双重加热炉的炉膛中，加盖密封并保温，盖上插一出气管；3)双重加热炉通电升温，首先是外加热系统通电升温，升温速率为3-5℃/min，至800-1600℃恒温；然后是内加热系统通电升温，至预定反应温度后恒温，出气管的火焰熄灭或达到恒温时间后，断电降温，随炉冷却；4)温度降至500℃以下时可取出反应料，通过浮选或高温氧化的方法去掉过剩的碳质原料，得到纯净的碳化硅晶片。
固体的碳质原料包括炭黑、活性炭、热解碳、碳化稻壳中的一种或几种，固体的硅质原料包括白炭黑、硅胶、氧化硅微粉、稻壳灰中的一种或几种，碳质原料和硅质原料重量比为1∶1-1.5。反应原料中可添加钠盐或钾盐例如氯化钠或氯化钾作矿化剂，加入量为硅质原料重量的40-100％，可添加B、Fe、Co、Ni的单质或其化合物例如硼酸、氧化铁、氯化钴、硝酸镍等的一种或几种作催化剂，加入量为硅质原料重量的1-20％。
制备过程中，原料内可通入非氧化性的气体例如氮气、氩气、氢气等，通入气体能够降低晶片的制备温度、缩短反应时间、改变晶片直径、提高晶片产量等。
双重加热炉外加热系统的恒温温度控制在800-1600℃范围内，以1200-1400℃为最好；内加热系统的恒温温度在1800-2200℃范围内，以1900-2000℃为最好。恒温时间为0.5-8小时，以2-4小时为宜。
高温反应结束后，反应料中主要是反应生成的碳化硅晶片和剩余的碳质原料，碳质原料可通过浮选法分离，浮选时可选用煤油作浮选剂、甲基醇作起泡剂。碳质原料也可以通过高温氧化法除去，氧化温度为500-700℃，时间为2-6小时。
本发明与现有技术相比，不同之处在于采用双重加热代替常规加热。本发明所采用的双重加热炉具有内、外两套加热系统，外加热系统与常规加热炉相同，通过电热体将炉膛和原料加热到一定温度，使原料的电阻降低到一个合适的范围内；然后，利用内加热系统借助内电极使原料自身加热升温，实现利用很少的能量、很短的时间将原料加热至所需要的温度的目的，从而节省了能源。双重加热法合成碳化硅晶片时，主要是通过内加热系统完成的，试样本身就是发热体，不存在传热过程，可以快速整体升温，所以试样内部温场均匀，温差小，从而可以使整个试样处于最佳合成温度，晶片的生成率达到最高，而且可以大大降低合成温度、缩短合成时间。同时，由于试样的导热性能差，保温效果好，所以试样的内部温度略高于外部的温度，整个炉膛承受较低的温度，从而降低电炉的造价，延长电炉的使用寿命。此外，由于电压直接加在试样的两侧，试样就会受到电场力的作用；电流流过试样，试样还会受到运动电子的作用；以上这些是常规加热情况下所没有的，但对晶片的生成和生长都能起到催化作用。因此，本发明制备的碳化硅晶片具有成本低、产量大、工艺简单以及晶片直径大小均匀、径厚比大、产率高的特点。
具体实施例方式
实施例1采用白炭黑和炭黑为原料，配比为SiO2∶C＝1.5∶1，不添加任何催化剂。准确称量炭黑和白炭黑，将其置于球磨罐中，以乙醇为介质，研磨混合8小时。将混合均匀的原料烘干后，装入双重加热炉中。首先是外加热系统通电升温，升温速率为5℃/min，升至1000℃后恒温；然后内加热系统通电升温，升温速率为3℃/min，升至1850℃后恒温；恒温5h后，内外加热系统同时停电降温，自然冷却至室温。反应料出炉后，通过浮选法除去未反应的炭黑，获得碳化硅晶片。碳化硅晶片的产率为10％，晶片的直径为10-20μm，厚度为1-5μm。
实施例2采用白炭黑和活性炭为原料，硼酸为助长剂，原料配比为SiO2∶C＝1.25∶1，硼酸为硅量的15％。其他同实施例1，外加热温度为1200℃，内加热温度为2000℃，恒温时间为3h。碳化硅晶片的产率为18％，晶片的直径为20-50μm，厚度3-10μm。
实施例3采用硅胶和炭黑为原料，配比为SiO2∶C＝1∶1，添加硅量12％的钴盐作催化剂。其他同实施例1，外加热温度为1100℃，内加热温度为1900℃，恒温时间为7h。碳化硅晶片的产率为24％，晶片的直径为20-30μm，厚度2-8μm。
权利要求
1.一种碳化硅晶片的制备方法，其特征在于使用固体的碳质原料和硅质原料，通过双重加热的方式制备碳化硅晶片。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制备方法，其特征在于所述的双重加热是通过双重加热炉进行的。
3.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制备方法，其特征在于所述的双重加热炉具有内外两套加热系统。
4.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制备方法，其特征在于固体的碳质原料包括炭黑、活性炭、热解碳、碳化稻壳等，固体的硅质原料包括白炭黑、硅胶、氧化硅微粉、稻壳灰等。
5.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制备方法，其特征在于所述的原料中可添加钠盐或钾盐作矿化剂，可添加B、Fe、Co、Ni的单质或其化合物的一种或几种作催化剂。
6.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制备方法，其特征在于所述的制备过程中可以通入非氧化性的气体。
7.根据权利要求1所述的碳化硅晶片的制备方法，其特征在于所述的碳化硅晶片的制备温度是1800-2200℃。
全文摘要
一种碳化硅晶片的制备方法，利用双重加热技术使反应原料升温至反应温度，反应原料既是外加热系统的受热体，又是内加热系统的发热体，解决了因反应原料导热性能差而大量原料无法均匀加热的问题，同时降低了高温电炉的制造成本，提高了高温电炉的运行可靠性，延长了高温电炉的使用寿命。该方法具有制备温度低、合成时间短、晶片制备成本低、产量大、质量好等优点。
文档编号C30B29/00GK1831213SQ20051020013
公开日2006年9月13日 申请日期2005年3月10日 优先权日2005年3月10日
发明者戴长虹, 张宝宝, 孟永强 申请人:戴长虹, 青岛理工大学