專利名稱：一種純α碳化硅晶須的制備方法
一種純α碳化硅晶須的制備方法技術領域
本發明屬于晶體生長技術領域，特別涉及一種純α碳化硅晶須的制備方法。 技術背景
晶須是一種高度取向性低維單晶體，晶須內化學雜質少，晶體結構缺陷少，結晶相成分均一，其強度接近原子間的結合力，是最接近于晶體理論強度的材料。碳化硅晶須 (SiCw)具有高強質比、高彈性模量、高熱導率、低熱膨脹率，以及優異的化學穩定性等物理化學特性。
近年來，隨著SiCw在增強增韌復合材料中的優異表現，日益受到材料工作者的青睞。SiCw增強增韌金屬基、陶瓷基及聚合物基等先進復合材料已經廣泛應用于機械、化工、 國防、能源等領域(Trans. Nonferr. Metals Soc. 16(2006) s483-s487) 其中 SiC 增強聚合物基復合材料可以吸收或透過雷達波，可作為雷達天線罩、導彈及飛機的隱身結構材料。而且，有研究表明SiCw具有優異的電場發射特性(Surf. Coat. Technol. 168(2003)37-42)。
目前制備SiCw的方法主要分為三類1)有機硅化物分解法，如熱分解CH3SiCl3制備SiCw法；2)鹵化物反應法，如在氫氣載氣流中SiCl4與CCl4反應制備SiCw的方法；3)碳熱還原法，如從稻殼中通過氣-液-固(VLS)機理制備SiCw晶須的方法，該方法目前工業生產SiCw的主要方法。然而，由于在這幾種SiCw的制備方法中，晶須生長的溫度較低(通常小于1700°C)，制備得到的晶須大多是β-SiCw,很難通過這些方法制備得到a-SiCw。
據文獻稱，α -SiCw較β -SiCw具有更高的熱穩定性，當溫度高于1800°C時，將發生 3^(；向 α-SiCw 的轉變(Philips Research Reports 18 (1963) 271-272)，這將會對高溫復合材料的性能造成一定的影響。另一方面，由于a-SiCw較β-Sit；具有更大的帶隙禾口電場擊穿場強(J. Nuclear Instruments and methods in physics research A 466(2001)406-411)，使得α-SiCw的電場發射特性更加優異。因此，對純α-SiCw制備方法的研究將有助于開發SiCw在復合材料及功能材料領域的應用價值。發明內容
為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種純α碳化硅晶須的制備方法，解決了碳化硅制備困難的問題。
為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的
一種純α碳化硅晶須的制備方法，包括以下工序
步驟一、將質量百分比為80 99. 5%碳化硅與0. 5 20%鐵粉均勻混合，或者將質量百分比為80 99. 5%碳化硅與0. 5 20%鎳粉均勻混合；
步驟二、將步驟一混合好的粉料裝入石墨坩堝內，裝入量小于坩堝深度的2/3 ；
步驟三、將裝有粉料的石墨坩堝裝入中頻感應燒結爐的圓柱筒狀碳纖維保溫層中，在坩堝頂部蓋上部蓋上由雙層碳纖維氈制成的石墨坩堝蓋，其中上層碳纖維氈上開有輻射孔。
步驟四、將中頻感應燒結爐抽真空至爐內壓力小于IO3Pa,充入氬氣至爐內壓力大于 4X IO4Pa ；
步驟五、將石墨坩堝加熱至2250 ^00°C，碳纖維氈的輻射孔處的溫度為1900 21000C，抽氣至氣壓在1 X IO4 2 X IO4Pa,保溫0. 5 4h，使晶須在碳纖維氈的開孔處通過氣-液-固(VLQ機理進行形核生長；
步驟六、將氣壓充至0.6X IO5 IX IO5Pa,隨爐冷卻至室溫，打開爐蓋，在上層碳纖維氈的輻射孔處得到黃色、綠色或無色的碳化硅α -SiCw。
所述碳化硅的粒徑為60-240 μ m ；所述鐵粉或鎳粉的粒徑為50-150 μ m。
本發明的基本原理是利用碳化硅及鐵在不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓溫度越高，其飽和蒸氣壓越大，反之亦然。從而，在高溫區(坩堝底部)，SiC及狗或附氣化分解，而在低溫區(碳纖維氈的輻射孔處)，由于其飽和蒸氣壓較低，會形成氣相成份的過飽和，在碳纖維上形成狗-C-Si或Ni-C-Si合金液滴，通過合理控制設計原料配方、設計碳纖維氈結構、控制坩堝底部及碳纖維氈處的溫度，以及爐內氣壓及加熱工藝等各項參數，實現了對α-SiCw晶須形核與生長的控制，獲得了具有光滑表面的純a-SiCw。
本發明的有益效果是，按照本發明的方法，通過調節配方及工藝，可以得到直徑為 0. 1-4 μ m,長度達800 μ m不含β -SiCw的純α -SiCw,為進一步開發SiCw在復合材料中的高溫增強增韌及功能應用領域的研究提供了基礎。同時工藝簡單，生產周期短。
圖1為本發明方法的石墨坩堝裝爐示意圖。
圖2為實施例3中得到的α -SiCw的宏觀照片。
圖3為實施例3中得到的α -SiCw的顯微照片。
圖4為實施例5中得到得α -SiCw的顯微照片。
具體實施方式
以下結合具體實施例對本發明做進一步的詳細描述。
一種純α碳化硅晶須的制備方法，包括以下工序
步驟一、將質量百分比為80 99. 5%碳化硅與0. 5 20%鐵粉均勻混合，或者將質量百分比為80 99. 5%碳化硅與0. 5 20%鎳粉均勻混合；所述碳化硅的粒徑為 60-240 μ m ；所述鐵粉或鎳粉的粒徑為50-150 μ m ；
步驟二、將步驟一混合好的粉料裝入石墨坩堝內，裝入量小于坩堝深度的2/3 ；
步驟三、將裝有粉料的石墨坩堝裝入中頻感應燒結爐的圓柱筒狀碳纖維保溫層中，在坩堝頂部蓋上部蓋上由雙層碳纖維氈制成的石墨坩堝蓋，其中上層碳纖維氈上開有輻射孔；
具體如圖1所示將石墨坩堝5裝入中頻感應燒結爐的圓柱筒狀的碳纖維保溫層 7中，碳纖維保溫層7四周是感應加熱銅線圈6，石墨坩堝5內是混合粉料4，坩堝頂部蓋上部蓋有上層碳纖維氈2和下層碳纖維氈3構成雙層碳纖維氈，上層碳纖維氈2上開有輻射孔1，石墨坩堝5的下部開有下輻射測溫孔9 ；
步驟四、將中頻感應燒結爐抽真空至爐內壓力小于IO3Pa,充入氬氣至爐內壓力大于 4X IO4Pa ；
步驟五、將石墨坩堝加熱至2250 ^00°C，碳纖維氈的輻射孔處的溫度為1900 21000C，抽氣至氣壓在1 X IO4 2 X IO4Pa,保溫0. 5 4h，使晶須在碳纖維氈的開孔處通過氣-液-固(VLQ機理進行形核生長；
步驟六、將氣壓充至0.6X IO5 IX IO5Pa,隨爐冷卻至室溫，打開爐蓋，在上層碳纖維氈的輻射孔處得到黃色、綠色或無色的α -SiCw。
按表1所列質量百分比及配方配制混合粉料Je或Ni的含量一般在0. 5 20%， 當大于20%時，會由于液態！^或Ni成份過多，很難在!^e-C-Si及Ni-C-Si合金液滴中形成 SiC分子的過飽和，進而影響α -SiCw的形核和生長；而當!^e或附合金的含量小于0. 5% 時，則很難在碳纖維氈的輻射孔處形成相應的合金液滴，進而α -SiCw無法進行VLS生長。
將混合均勻的原料裝入石墨坩堝，加熱至2250 ^00°C，而控制碳纖維氈的輻射孔處的溫度為1900 2100°C。在IX IO4 2X IO4Pa的氬氣氣氛中保溫0.5 4h，通過氣-液-固(VLQ機理制得純α -SiCw,具體工藝參數見表2。
表1配料組成實例
權利要求
1.一種純α碳化硅晶須的制備方法，其特征在于，包括以下工序步驟一、將質量百分比為80 99. 5%碳化硅與0. 5 20%鐵粉均勻混合，或者將質量百分比為80 99. 5%碳化硅與0. 5 20%鎳粉均勻混合；步驟二、將步驟一混合好的粉料裝入石墨坩堝內，裝入量小于坩堝深度的2/3 ；步驟三、將裝有粉料的石墨坩堝裝入中頻感應燒結爐的圓柱筒狀碳纖維保溫層中，在坩堝頂部蓋上部蓋上由雙層碳纖維氈制成的石墨坩堝蓋，其中上層碳纖維氈上開有輻射孔。步驟四、將中頻感應燒結爐抽真空至爐內壓力小于IO3Pa,充入氬氣至爐內壓力大于 4 X IO4Pa ；步驟五、將石墨坩堝加熱至2250 ^00°C，碳纖維氈的輻射孔處的溫度為1900 21000C，抽氣至氣壓在1 X IO4 2 X IO4Pa,保溫0. 5 4h，使晶須在碳纖維氈的開孔處通過氣-液-固(VLQ機理進行形核生長；步驟六、將氣壓充至0. 6 X IO5 1 X IO5Pa,隨爐冷卻至室溫，打開爐蓋，在上層碳纖維氈的輻射孔處得到黃色、綠色或無色的碳化硅α _SiCw。
2.根據權利要求1所述的一種純α碳化硅晶須的制備方法，其特征在于，所述碳化硅的粒徑為60-240 μ m ；所述鐵粉或鎳粉的粒徑為50-150 μ m。
全文摘要
一種純α碳化硅晶須的制備方法，將質量百分比為80～99.5％碳化硅與0.5～20％鐵粉或者鎳粉均勻混合裝入石墨坩堝內；將石墨坩堝裝入中頻感應燒結爐中，爐內壓力小于103Pa，充入氬氣至爐內壓力大于4×104Pa；將石墨坩堝加熱至2250～2600℃，碳纖維氈的輻射孔處的溫度為1900～2100℃，抽氣至氣壓在1×104～2×104Pa，保溫0.5～4h，使晶須在碳纖維氈的開孔處通過氣-液-固(VLS)機理進行形核生長；將氣壓充至0.6×105～1×105Pa，隨爐冷卻至室溫，得到黃色、綠色或無色的碳化硅，本發明工藝簡單，生產周期短。
文檔編號C30B29/62GK102534796SQ20111045519
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者喬冠軍, 劉波波, 劉虎林, 史永貴, 戴培赟, 楊建鋒, 白宇 申請人:西安交通大學