一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，包括以下步骤：将SiC原料放置于坩埚中，微晶沉积收集器固定于坩埚盖内侧，拧合坩埚后，置于晶体生长炉中；对晶体生长体系抽真空至＜5×10-3Pa，再冲入1～20000Pa气氛气体；提升晶体生长体系的温度，使原料区的温度为1800～2200℃，坩埚盖处微晶沉积收集器的温度为1750～2100℃，开始进行微晶生长；在微晶生长0.5～2小时后，关闭晶体生长炉电源。本发明不涉及任何其它前驱物和催化剂，且原料区与沉积生长区分离，获得SiC微晶尺寸在10～50微米范围内可调，且相互分离、呈现多面体形貌，并且微晶生长周期短、方法简单、易于推广、适合大规模工业生产，具有很强的实用价值。
【专利说明】—种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳化硅微晶的制备方法，尤其涉及一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，属于碳化硅晶体制备领域。
【背景技术】
[0002]目前，碳化硅(SiC)微晶基本是通过筛分合成的不同尺寸SiC颗粒来获取的，其尺寸均一性差、微晶颗粒团聚严重、形貌各异。SiC微晶在微加工刃具、高效能磨料、陶瓷母体的强化材料等方面具有广阔的应用前景，而多面体形貌、尺寸均一、离散的SiC微晶无疑可以更有效率地应用于上述领域。因此，开发一种合成尺寸均一、多面体形貌的SiC微晶的方法，是很有意义的，有广阔的应用前景。
[0003]艾奇逊法【Acheson,G.(1893)美国专利 492，767〃Production of artificialcrystalline carbonaceous material"】是生长碳化娃单晶颗粒,并广泛商业使用的成熟方法，该方法将细的二氧化硅颗粒与焦炭混合，置入石墨为电极的电炉中，加热到1600至2500°C之间的高温制得，但该方法合成SiC单晶颗粒尺寸差异大(I微米~数毫米)，颗粒团聚现象严重，晶粒内杂质含量高，需要碎料机进行原料破碎，然后进行筛选，以用于不同方面，如SiC磨料等。对于离散的、尺寸均一的、有多面体外形的SiC微晶(所述SiC微晶指为尺寸小于50微米的SiC单晶)，该方法难以获取。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法。
[0005]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，包括以下步骤:
[0006](I)将SiC原料放置于坩埚中，微晶沉积收集器固定于坩埚盖内侧，拧合坩埚后，置于晶体生长炉中，封闭晶体生长炉，形成晶体生长体系；
[0007](2)对晶体生长体系抽真空至< 5X10_3Pa Pa，再冲入I~20000Pa气氛气体；
[0008](3)提升晶体生长体系的温度，使原料区的温度为1800~2200°C，坩埚盖处微晶沉积收集器的温度为1750~2100°C，开始进行微晶生长；
[0009](4)微晶生长时间一般为30分钟到2小时，生长结束后，关闭晶体生长炉电源，在微晶沉积收集器处得到所述尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶。
[0010]本发明应用物理气相传输(PVT)法来合成SiC微晶，基本过程为:将SiC原料放置在反应体系的高温区，在低温区处放置沉积物收集器，这样高温区的SiC原料分解并向低温区传输，通过严格设定生长体系的温度梯度、体系的气氛构成及气态分压、收集器等因素，来实现对碳化硅气态物质的均匀形核和生长取向进行调制，可以生长尺寸均一的多边形SiC微晶，可用于多项领域。
[0011]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。[0012]进一步，所述步骤(1)中SiC原料为碳化硅磨料、碳化硅粉末、Si和C的混合粉体、或SiC块晶。
[0013]进一步，所述步骤(1)中坩埚为石墨坩埚、碳化钽坩埚、碳化铌坩埚或钨坩埚。为了增大微晶的生长量，可对微晶生长所用坩埚尺寸进行设计调整。
[0014]所述步骤(2)中对晶体生长体系抽真空至< 5X10_3Pa Pa的目是去除生长体系中吸附的水分和氧气、氮气。
[0015]进一步，所述步骤(2)中气氛气体为氢气、氩气中一种或两种的混合。
[0016]进一步，所述步骤(3)中微晶沉积收集器的温度低于原料区的温度，且控制微晶生长处在低过饱和度的条件下。
[0017]通过设计微晶生长体系内的温场、气氛、气压，来实现SiC微晶的均匀分布、尺寸调控(I~50微米)以及多面体形貌。
[0018]SiC微晶生长主要基于控制SiC原料的蒸发量，以及SiC微晶生长环境中的过饱和度，大量气相物质在坩埚盖处收集器内均匀自由成核，由于生长环境过饱和较低，因此晶体生长中的高能结晶面容易保留下来，呈现多面体SiC微晶形态。该种表面结构，有利于高精度、高效率的磨、切领域方面的用途，在微加工刃具、磨料、母体强化材料方面应用更有优势。
[0019]本发明在多样的气氛环境中(包括Ar、氢气)，宽化的生长气压下(l_20000Pa)，宽化的温度范围内(1750-2100 °C )可以实现SiC微晶生长，即微晶生长窗口很宽；本发明通过对生长体系内径向温场的精确控制，来实现SiC微晶均匀自发成核、尺寸的均一性和可控性本发明通过控制生长体系内轴向温场，使碳化硅气态物质在收集器上具有低的过饱和度，因此微体生长中的高能结晶面可以保留下来，呈现多面体SiC微晶形态。
[0020]本发明的有益效果是:本发明成功实现了尺寸均一、可控、有多边形形貌碳化硅微晶的生长，使用碳化硅磨料、碳化硅粉末、Si和C的混合粉体或SiC块晶为原料，不涉及任何其它前驱物和催化剂，且原料区与沉积生长区分离(避免了杂质和其它杂项产物地影响)，获得SiC微晶尺寸在10~50微米范围内可调，且相互分离、呈现多面体形貌，并且微晶生长周期短、方法简单、易于推广、适合大规模工业生产，具有很强的实用价值。
[0021]通过选用Si源气体(如硅烷)、C源气体(如乙烷)，结合本发明的技术方案也可能制备出类似的SiC微晶。本发明并不完全限定在合SiC微晶，也可以用于合成AIN、GaN, ZnO等微晶材料。
【具体实施方式】
[0022]以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0023]实施例1
[0024]将SiC块晶和固定了微晶沉积收集器的坩埚放入晶体生长炉。对晶体生长体系抽真空至10_3Pa后，冲入15000Pa氢气后，提升体系温度使原料具有高的蒸发温度(1950~20000C )，收集器处具有相对低的温度(1950°C )，进行SiC微晶生长，30分钟生长结束后，关闭晶体生长炉电源，产物随炉冷却至室温。取出附着在收集器上的SiC微晶产物，进行形貌观察。所生长的SiC微晶尺寸均一(40~50微米)，没有团聚现象，SiC微晶呈现多面体形貌。
[0025]实施例2[0026]将碳化硅磨料和固定了微晶沉积收集器的坩埚放入晶体生长炉。对晶体生长体系抽真空至3X10_3Pa，再冲入SOOOPa氢气和氩气混合气后，提升体系温度使原料具有高的蒸发温度(1850-1900°C )，收集器处具有相对低的温度(18000C )，进行SiC微晶生长，I小时生长结束后，关闭晶体生长炉电源，产物随炉冷却至室温。取出附着在收集器上的SiC微晶产物，进行形貌观察。所生长的SiC微晶尺寸均一(30~40微米)，没有团聚现象，SiC微晶呈现多面体形貌。
[0027]实施例3
[0028]将S1、C的混合粉体和固定了微晶沉积收集器的坩埚放入晶体生长炉。对晶体生长体系抽真空至10_3Pa，再充入IOPa氩气，提升体系温度使原料具有高的蒸发温度(1800-1850°C )，收集器处具有相对低的温度(17500C )，进行SiC微晶生长，2小时生长结束后，关闭晶体生长炉电源，产物随炉冷却至室温。取出附着在收集器上的SiC微晶产物，进行形貌观察。所生长的SiC微晶尺寸均一(10~20微米)，基本没有团聚现象，SiC微晶呈现多面体形貌。
[0029]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将SiC原料放置于坩埚中，微晶沉积收集器固定于坩埚盖内侧，拧合坩埚后，置于晶体生长炉中，封闭晶体生长炉，形成晶体生长体系； (2)对晶体生长体系抽真空至<5X 10_3Pa，再冲入I~20000Pa气氛气体； (3)提升晶体生长体系的温度，使原料区的温度为1800~2200°C，坩埚盖处微晶沉积收集器的温度为1750~2100°C，开始进行微晶生长； (4)在微晶生长0.5~2小时后，关闭晶体生长炉电源，在微晶沉积收集器处得到所述尺寸均一、多面体形态的碳化娃微晶。
2.根据权利要求1所述尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中SiC原料为碳化硅磨料、碳化硅粉末、Si和C的混合粉体、或SiC块晶。
3.根据权利要求1所述尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中坩埚为石墨坩埚、碳化钽坩埚、碳化铌坩埚或钨坩埚。
4.根据权利要求1至3任一项所述尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中气氛气体为氢气、氩气中一种或两种的混合。
5.根据权利要求1至3任一项所述尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中微 晶沉积收集器的温度低于原料区的温度。
【文档编号】C30B29/36GK103643294SQ201310611182
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】陶莹, 高宇, 邓树军, 赵梅玉, 段聪 申请人:河北同光晶体有限公司