一种用于生产碳化硅晶体的原料及其制备方法与应用技术

本申请公开了一种用于生产碳化硅晶体的原料及其制备方法与应用。所述原料为中空球状碳化硅粉料。所述方法通过水热法，利用有机碳源作为模板剂对碳化硅粉料进行优化，水热反应可以使碳化硅颗粒进一步细化，随后堆叠吸附在碳球模板上，从而减小粉料颗粒尺寸，通过形成中空纳米球状颗粒增大其比表面积，进而增大受热面积，保证粉体充分升华和升华的均匀性。本发明专利技术有利于提高生产碳化硅晶体中碳化硅合成粉料的利用率，提高碳化硅晶体的合成质量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于生产碳化硅晶体的原料及其制备方法与应用
本专利技术涉及材料工艺领域，具体涉及一种用于生产碳化硅晶体的原料及其制备方法与应用。
技术介绍
SiC材料由于具有优良的半绝缘特性而受到广泛关注，特别是对于具有特殊需求的大功率半导体器件，碳化硅因所具有的高温、高频、大功率等特点成为这些器件选择的潜力材料。目前，碳化硅晶体制备多采用PVT法，即通过物理气相传输的方法将碳化硅粉料进行高温升华，随后利用生长炉中的轴向温度梯度提供传输动力，使碳化硅气相向上传输，在炉膛上端冷凝处凝华结晶形成碳化硅晶体。该晶体生长方式存在碳化硅粉料受热不均、升华速率不同等弊端，导致碳化硅晶体的合成质量降低，碳化硅粉料的利用不充分等问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种用于生产碳化硅晶体的原料及其制备方法与应用。本申请专利技术人发现，将原有的碳化硅粉料制成中空球状碳化硅材料，可以提高其比表面积和孔隙率，从而可以提高碳化硅粉料受热均匀性和升华速率的一致性，提高碳化硅晶体的质量及碳化硅粉料的利用率。一方面，本专利技术的目的是提供一种用于生产碳化硅晶体的原料，所述原料为中空球状碳化硅。在上述原料中，所述中空球状碳化硅的粒径为3000nm以下，优选，1000nm以下，更优选，500nm以下；和/或，所述中空球状碳化硅的球壁厚度为200nm以下，优选，100nm以下，更优选，50nm以下；和/或，所述中空球状碳化硅的球壁上含有至少一个通孔。该通孔的形成机理为：葡萄糖碳化后形成碳纳米球模板剂，碳纳米球在煅烧过程中生成CO2逸出形成球壁通道即所述通孔。在上述原料中，一种优选的实施方式是，所述原料由以下任一所述中空球状碳化硅材料的制备方法得到。现有技术已有的中空球状碳化硅材料多用于其它用途，且制备方法复杂，需要用到的试剂较多，对碳化硅原料引入的杂质也较多，无法直接用于碳化硅晶体制备。另一方面，本专利技术还提供了一种中空球状碳化硅材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：S1、将碳球模板和碳化硅粉料分散于水中，得到第一混合物；S2、向所述第一混合物中加入试剂A混合均匀后进行第二水热反应，使所述碳球模板的外表面形成碳化硅粉料层，得到第二混合物；S3、收集所述第二混合物中的沉积物；S4、将所述沉积物进行高温煅烧以去除所述碳球模板，得到所述中空球状碳化硅材料；所述试剂A包括六亚甲基四胺、尿素、磺化聚苯乙烯、酒石酸中的任一种或几种的组合，优选六亚甲基四胺。在上述方法中，一种优选的实施方式为，步骤S1中，所述碳球模板为将有机碳源的水溶液通过第一水热反应得到；优选的，所述有机碳源的水溶液中所述有机碳源的浓度为300-50g/L，更优选，200-150g/L；有机碳源如葡萄糖的起始溶液浓度与所述碳球模板的直径之间成正相关关系；优选的，所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、果糖、淀粉、环糊精、树脂中的一种或几种组合；更优选的，所述有机碳源包括葡萄糖；有机碳源如葡萄糖水热形成的碳球模板表面存在-OH和-C＝O键，使碳球模板表面不需要其它修饰就可以很好地与金属离子或其他含碳化合物成键；优选的，所述碳球模板的平均粒径为3000-500nm，更优选，1000-500nm；优选的，所述第一水热反应的温度为150-250℃，更优选，160-200℃；所述第一水热反应的压力为10-30MPa，更优选，20-25MPa；所述第一水热反应的时间为5-20h，更优选，10-14h；所述第一水热反应使反应物有机碳源以水为媒介在高温高压下进行的一系列化学反应。在密闭的反应釜中，随着反应温度的升高，反应釜中压力随之增大，从而使水溶剂达到超临界状态。当水处于超临界状态时，正常在水中无法完成的化学反应得以实现，且此时水亦具有一定的氧化性从而促进反应的进行。具体实施时，所述第一水热反应在密闭的高压釜中进行；反应完成后收集黑褐色固体，对所述黑褐色固体进行洗涤和干燥即得到所述碳球模板粉末；所述洗涤为用水和无水乙醇洗涤数次。在上述方法中，步骤S1中，所述碳化硅粉料的细度为50-200目；优选，100-150目；更优选，120-160目。在上述方法中，步骤S1中，所述碳球模板和所述碳化硅粉料的摩尔比为(5-20)：1；优选，(8-15)：1；更优选，(10-12)：1；所述碳球模板和所述碳化硅粉料的摩尔比越大，形成的所述中空球状碳化硅材料的球壁越薄；所述碳球模板与所述水的用量比为(2-10)g：1L；优选，(4-6)g：1L；更优选，5g：1L。在上述方法中，步骤S2中：所述试剂A与所述第一混合物中所述碳球模板的摩尔比为(0.1-0.01)：1；优选，(0.1-0.05)：1；更优选，(0.08-0.06)：1；所述试剂A如六亚甲基四胺主要对合成碳纳米球的形貌有所影响，本专利技术采用的六亚甲基四胺是一种缓冲剂，可以缓慢的释放氢氧根，避免大量SiC一起吸附到球面上，减少纳米颗粒的团聚现象，从而可以获得围绕碳球模板的SiC层。因此，六亚甲基四胺在本专利技术中起到了提供SiC弱碱性吸附环境条件与避免纳米颗粒团聚分散剂的作用。在上述方法中，步骤S2中，所述第二水热反应的温度为150-350℃，优选180-220℃，更优选200℃；所述第二水热反应的时间为5-15h，优选10-14h，更优选12h；所述第二水热反应在反应釜中进行，反应釜内衬采用不锈钢或聚四氟乙烯进行，其中，反应釜内衬为聚四氟乙烯的水热耐受温度为280℃，其安全温度为低于230℃，因此目前采用更优选的200℃。在上述方法中，步骤S4中，所述高温煅烧的温度为300-800℃，优选350-600℃，更优选400-500℃；所述高温煅烧的时间为2-15h，优选4-10h，更优选5-7h；在空气中进行400-500℃如450℃的煅烧，可使被包裹的碳球模板在空气中被氧化成CO2逸出。SiC由于其具有良好的化学稳定性和热稳定性，在400-500℃如450℃下煅烧不会对其结构及相成分、结晶性及晶型产生任何影响。因此，通过煅烧使纳米球颗粒变成中空纳米球颗粒，且CO2气体的逸出使得纳米球具有良好的孔隙率。因此，可使得具有中空球状碳化硅材料微观形态的SiC粉料在后续SiC晶体生长中具有较好的受热均匀性，使其较传统粉体受热升华更加均匀稳定。本专利技术保护以上任一所述用于生产碳化硅晶体的原料或所述方法制备得到的所述中空球状碳化硅材料在制备碳化硅晶体、碳化硅陶瓷制品、吸附剂、载体如化合物载体、和/或药物输送载体中的应用。本专利技术还提供了一种碳化硅晶体的生产方法，包括以如下物质为原料利用PVT法进行碳化硅长晶的步骤：以上任一所述用于生产碳化硅晶体的原料、或所述方法制备得到的所述中空球状碳化硅材料。有益效果：本专利技术通过水热法，利用葡萄糖作为模板剂对碳化硅粉料进行优化，水热反应可以使碳化硅颗粒进一步细化，随后堆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中空球状碳化硅材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/nS1、将碳球模板和碳化硅粉料分散于水中，得到第一混合物；/nS2、向所述第一混合物中加入试剂A混合均匀后进行第二水热反应，使所述碳球模板的外表面形成碳化硅粉料层，得到第二混合物；/nS3、收集所述第二混合物中的沉积物；/nS4、将所述沉积物进行高温煅烧以去除所述碳球模板，得到所述中空球状碳化硅材料；/n所述试剂A包括六亚甲基四胺、尿素、磺化聚苯乙烯、酒石酸中的任一种或几种的组合。/n

【技术特征摘要】
1.一种中空球状碳化硅材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将碳球模板和碳化硅粉料分散于水中，得到第一混合物；
S2、向所述第一混合物中加入试剂A混合均匀后进行第二水热反应，使所述碳球模板的外表面形成碳化硅粉料层，得到第二混合物；
S3、收集所述第二混合物中的沉积物；
S4、将所述沉积物进行高温煅烧以去除所述碳球模板，得到所述中空球状碳化硅材料；
所述试剂A包括六亚甲基四胺、尿素、磺化聚苯乙烯、酒石酸中的任一种或几种的组合。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述碳球模板为将有机碳源的水溶液通过第一水热反应得到；
优选的，所述有机碳源的水溶液中所述有机碳源的浓度为300-50g/L，更优选，200-150g/L；
优选的，所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、果糖、淀粉、环糊精、树脂中的一种或几种组合；更优选的，所述有机碳源包括葡萄糖；
优选的，所述碳球模板的平均粒径为3000-500nm，更优选，1000-500nm；
优选的，所述第一水热反应的温度为150-250℃，更优选，160-200℃；所述第一水热反应的压力为10-30MPa，更优选，20-25MPa；所述第一水热反应的时间为5-20h，更优选，10-14h；
优选的，所述碳化硅粉料的细度为50-200目；优选，100-180目；更优选，120-160目。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤S1中，所述碳球模板和所述碳化硅粉料的摩尔比为(5-20)：1；优选，(8-15)：1；更优选，(10-12)：1；
所述碳球模板与所述水的用量比为(2-10)g：1L；优选，(4-6)g：1L；更优选，5g：1L。


4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：步骤S2中：
所述试剂A为六亚甲基四胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张九阳，许晓林，杨晓俐，李磊磊，高超，徐兴超，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37