权利要求
1.一种高纯
碳化硅陶瓷，其特征在于，所述高纯碳化硅陶瓷由化学气相沉积法制备的碳化硅微粉为原料制备而成，所述碳化硅微粉纯度为99.999%～99.9999%，平均粒径为0.1～0.8μm，且所述高纯碳化硅陶瓷在制备过程中不添加硼、碳、
氧化铝或
稀土氧化物烧结助剂;所述高纯碳化硅陶瓷的致密度为98%～99.5%，热导率为150～180W/m·K，抗弯强度为400～500MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高纯碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅微粉具有双峰粒径分布结构，其中：细颗粒粒径为0.05～0.3μm，粗颗粒粒径为0.3～1.2μm，细颗粒与粗颗粒的质量比为1：(1～3)。
3.根据权利要求1所述的一种高纯碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅微粉粒径分布满足：D10为0.05～0.2μm，D50为0.1～0.8μm，D90为1.0～2.0μm。
4.根据权利要求1所述的一种高纯碳化硅陶瓷，其特征在于，所述碳化硅陶瓷晶粒尺寸为1～5μm，晶界金属杂质含量小于50ppm。
5.一种高纯碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)碳化硅粉体洁净球磨：
将化学气相沉积法制备的碳化硅微粉与单晶碳化硅研磨介质混合，球料比为2:1～5:1，所述单晶碳化硅研磨介质粒径为5～10mm，纯度为99.9999%;以无水乙醇为球磨介质，在聚氨酯内衬球磨桶中进行球磨，球磨时间为4～12h，得到浆料;
(2)粉体干燥与筛分：
将浆料在60～120℃条件下干燥，并进行200～400目筛分，得到碳化硅粉体;
(3)粉体成型:
将碳化硅粉体进行成型，得到碳化硅陶瓷素坯;
(4)高温压力烧结:
将素坯进行烧结处理;
(5)冷却:
烧结结束后随炉冷却，得到高纯碳化硅陶瓷。
6.根据权利要求5所述的一种高纯碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中球磨时间为6～10h，球磨转速为200～400rpm;步骤(3)中所述成型方法为干压成型或等静压成型，其中：干压成型压力为80～150MPa，保压时间为1～5min;等静压成型压力为100～200MPa，保压时间为3～10min;所得素坯相对密度为55%～70%;步骤(4)中所述烧结温度为1600～2000℃，烧结压力为20～100MPa，保温时间为1～4h。
7.根据权利要求5所述的一种高纯碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述烧结方式为热压烧结或放电等离子烧结，其中：当采用热压烧结时，烧结温度为1750～1950℃，烧结压力为30～80MPa，升温速率为5～15℃/min，保温时间为2～3h;当采用放电等离子烧结时，烧结温度为1650～1850℃，烧结压力为40～90MPa，升温速率为50～150℃/min，保温时间为5～30min。
8.根据权利要求5所述的一种高纯碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述烧结过程在惰性气氛条件下进行;所述惰性气体为氩气或氮气;所述烧结气氛中的氧含量控制在50ppm以下。
9.权利要求1～4任一项所述高纯碳化硅陶瓷在以下领域中的应用，半导体设备结构件、核反应堆燃料包壳、高功率电子器件基板。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及先进陶瓷材料技术领域，具体涉及一种高纯碳化硅陶瓷及其制备方法。
背景技术
[0002]碳化硅陶瓷是一种重要的先进结构陶瓷材料，具有高硬度、高耐磨性、高热导率、低热膨胀系数、优异的高温稳定性以及良好的化学稳定性等优点，因此在半导体设备、航空航天、核能工程、化工设备以及高功率电子器件等领域得到了广泛应用。特别是在半导体制造设备及核能领域中，对材料纯度、热导性能以及结构稳定性提出了更高要求，高纯碳化硅陶瓷逐渐成为关键结构材料之一。
[0003]目前，碳化硅陶瓷的制备通常采用无压烧结、热压烧结或放电等离子烧结等工艺。其中，无压烧结工艺通常需要加入硼、碳、氧化铝或
稀土氧化物等烧结助剂，以促进碳化硅颗粒之间的扩散与致密化。然而，烧结助剂在烧结过程中容易在晶界形成第二相残留，从而降低材料纯度，并影响材料的热导率和高温稳定性，使所得碳化硅陶瓷的纯度通常仅能达到约99.5%，难以满足半导体装备和核能工程等领域对超高纯度材料的应用需求。
[0004]另一方面，传统艾奇逊法制备的碳化硅粉体通常含有较多杂质，如游离碳、金属杂质及硅等，其纯度一般在98%左右，这进一步限制了高纯碳化硅陶瓷的制备。虽然化学气相沉积技术能够制备纯度达到99.999%以上的碳化硅粉体，但在后续加工过程中，如果使用氧化锆、氧化铝等常规研磨介质或金属内衬设备进行粉体处理，容易引入金属杂质污染，从而降低最终陶瓷材料的纯度。
[0005]在不添加烧结助剂的情况下，碳化硅颗粒之间的扩散能力较弱，烧结致密化难度较大，容易导致材料致密度不足、力学性能下降。因此，如何在不引入杂质污染的条件下，对高纯碳化硅微粉进行洁净加工并实现高致密度烧结，从而制备纯度高、致密度高且性能优异的高纯碳化硅陶瓷，仍然是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
[0006]为了克服上述背景技术中存在的碳化硅陶瓷在制备过程中需要添加烧结助剂、易引入杂质污染以及难以获得高纯度和高致密度问题，本发明的目的在于提供一种高纯碳化硅陶瓷及其制备方法，通过采用高纯碳化硅微粉原料并结合洁净球磨处理和高温压力烧结工艺，在不添加烧结助剂的条件下实现碳化硅陶瓷的高致密化制备，从而获得纯度高、热导率高且力学性能优异的碳化硅陶瓷材料。本发明提供一种高纯碳化硅陶瓷，其以化学气相沉积法制备的高纯碳化硅微粉为原料，通过采用高纯单晶碳化硅研磨介质在聚氨酯内衬球磨设备中进行洁净球磨处理，随后对粉体进行成型，并在高温高压条件下通过热压烧结或放电等离子烧结工艺进行致密化烧结，在不添加烧结助剂的条件下制备得到高纯碳化硅陶瓷材料。本发明通过采用高纯碳化硅微粉原料并结合洁净加工与高温压力烧结工艺，实现了在无烧结助剂条件下制备高纯度、高致密度且性能优异的碳化硅陶瓷材料。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0008]一种高纯碳化硅陶瓷，所述高纯碳化硅陶瓷由化学气相沉积法制备的碳化硅微粉为原料制备而成，所述碳化硅微粉纯度为99.999%～99.9999%，平均粒径为0.1～0.8μm，且所述高纯碳化硅陶瓷在制备过程中不添加硼、碳、氧化铝或稀土氧化物烧结助剂;所述高纯碳化硅陶瓷的致密度为98%～99.5%，热导率为150～180W/m·K，抗弯强度为400～500MPa。
[0009]可选地，碳化硅微粉具有双峰粒径分布结构，其中：细颗粒粒径为0.05～0.3μm，粗颗粒粒径为0.3～1.2μm，细颗粒与粗颗粒的质量比为1：(1～3)。
[0010]可选地，碳化硅微粉粒径分布满足：D10为0.05～0.2μm，D50为0.1～0.8μm，D90为1.0～2.0μm。
[0011]可选地，碳化硅陶瓷晶粒尺寸为1～5μm，晶界金属杂质含量小于50ppm。
[0012]可选地，一种高纯碳化硅陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0013](1)碳化硅粉体洁净球磨
[0014]将化学气相沉积法制备的碳化硅微粉与单晶碳化硅研磨介质混合，球料比为2:1～5:1，所述单晶碳化硅研磨介质粒径为5～10mm，纯度为99.9999%;以无水乙醇为球磨介质，在聚氨酯内衬球磨桶中进行球磨，球磨时间为4～12h，得到浆料;
[0015](2)粉体干燥与筛分
[0016]将浆料在60～120℃条件下干燥，并进行200～400目筛分，得到碳化硅粉体;
[0017](3)粉体成型
[0018]将碳化硅粉体进行成型，得到碳化硅陶瓷素坯;
[0019](4)高温压力烧结
[0020]将素坯进行烧结处理;
[0021](5)冷却
[0022]烧结结束后随炉冷却，得到高纯碳化硅陶瓷。
[0023]可选地，步骤(1)中球磨时间为6～10h，球磨转速为200～400rpm;步骤(3)中所述成型方法为干压成型或等静压成型，其中：干压成型压力为80～150MPa，保压时间为1～5min;等静压成型压力为100～200MPa，保压时间为3～10min;所得素坯相对密度为55%～70%;步骤(4)中所述烧结温度为1600～2000℃，烧结压力为20～100MPa，保温时间为1～4h。
[0024]可选地，烧结方式为热压烧结或放电等离子烧结，其中：当采用热压烧结时，烧结温度为1750～1950℃，烧结压力为30～80MPa，升温速率为5～15℃/min，保温时间为2～3h;当采用放电等离子烧结时，烧结温度为1650～1850℃，烧结压力为40～90MPa，升温速率为50～150℃/min，保温时间为5～30min。
[0025]可选地，烧结过程在惰性气氛条件下进行;所述惰性气体为氩气或氮气;所述烧结气氛中的氧含量控制在50ppm以下。
[0026]可选地，高纯碳化硅陶瓷在以下领域中的应用，半导体设备结构件、核反应堆燃料包壳、高功率电子器件基板。
[0027]本发明的有益效果是：
[0028]本发明通过采用化学气相沉积法制备的高纯碳化硅微粉作为原料，从源头上降低了原料中的杂质含量，使碳化硅材料的纯度显著提高。同时，在粉体加工过程中采用高纯单晶碳化硅颗粒作为研磨介质，并配合聚氨酯内衬球磨桶进行洁净球磨处理，有效避免了传统氧化锆、氧化铝研磨介质以及金属设备在加工过程中可能引入的金属杂质污染，从而进一步保证了粉体处理过程的洁净度。此外，本发明通过控制碳化硅粉体的粒径分布及球磨均匀性，使碳化硅颗粒在烧结过程中能够形成更加均匀致密的颗粒堆积结构，提高了粉体的堆积密度和烧结活性，使碳化硅陶瓷在不添加烧结助剂的条件下仍能够实现高致密化烧结。同时，通过热压烧结或放电等离子烧结工艺在高温高压条件下促进碳化硅颗粒之间的扩散与结合，从而获得纯度高、致密度高、热导率高且力学性能优异的高纯碳化硅陶瓷材料，使所得碳化硅陶瓷的纯度可达到99.999%以上，致密度达到98%以上，热导率达到150W/m·K以上，抗弯强度达到400MPa以上，能够满足半导体设备结构件、核能工程材料及高功率电子器件基板等高端应用领域对高纯碳化硅陶瓷材料的使用需求。
附图说明
[0029]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0030]图1为本发明实施例1制备的高纯碳化硅陶瓷的SEM照片;
[0031]图2为本发明实施例2制备的高纯碳化硅陶瓷的XRD图谱。
具体实施方式
[0032]下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于以下实施方式，在不脱离本发明精神实质的前提下所做的等效调整亦应视为落入本发明保护范围内。
[0033]实施例1：
[0034](1)将化学气相沉积法制备的碳化硅微粉(纯度99.999%，平均粒径0.5μm)与单晶碳化硅研磨介质(粒径5-10mm，纯度99.9999%)按球料比3:1混合，以无水乙醇为球磨介质，在聚氨酯内衬的球磨桶中球磨6小时，得到粒径分布为D10=0.08μm、D50=0.5μm、D90=1.5μm的碳化硅粉体;图1为粉体SEM照片;
[0035](2)将球磨后的碳化硅粉体在100MPa压力下干压成型，得到素坯;
[0036](3)将素坯放入热压烧结炉中，在1800℃、60MPa压力下保温2小时进行烧结;
[0037](4)以8℃/min的速率随炉冷却至室温，得到高纯碳化硅陶瓷。
[0038]经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为99.999%，致密度为98.5%，热导率为160W/m·K，抗弯强度为420MPa。
[0039]实施例2：
[0040](1)将化学气相沉积法制备的碳化硅微粉(纯度99.999%，平均粒径0.3μm)与单晶碳化硅研磨介质(粒径5-10mm，纯度99.9999%)按球料比4:1混合，以无水乙醇为球磨介质，在聚氨酯内衬的球磨桶中球磨8小时，得到粒径分布为D10=0.06μm、D50=0.3μm、D90=1.2μm的碳化硅粉体;图2为粉体XRD图谱;
[0041](2)将球磨后的碳化硅粉体在150MPa压力下等静压成型，得到素坯;
[0042](3)将素坯放入放电等离子烧结炉中，在1700℃、80MPa压力下保温3小时进行烧结;
[0043](4)以6℃/min的速率随炉冷却至室温，得到高纯碳化硅陶瓷。
[0044]经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为99.999%，致密度为99.0%，热导率为165W/m·K，抗弯强度为450MPa。
[0045]实施例3：
[0046](1)将化学气相沉积法制备的碳化硅微粉(纯度99.999%，平均粒径0.8μm)与单晶碳化硅研磨介质(粒径5-10mm，纯度99.9999%)按球料比2:1混合，以无水乙醇为球磨介质，在聚氨酯内衬的球磨桶中球磨4小时，得到粒径分布为D10=0.15μm、D50=0.8μm、D90=2.0μm的碳化硅粉体;
[0047](2)将球磨后的碳化硅粉体在50MPa压力下干压成型，得到素坯;
[0048](3)将素坯放入热压烧结炉中，在2000℃、20MPa压力下保温1小时进行烧结;
[0049](4)以10℃/min的速率随炉冷却至室温，得到高纯碳化硅陶瓷。
[0050]经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为99.999%，致密度为98.0%，热导率为150W/m·K，抗弯强度为400MPa。
[0051]对比例1：
[0052]采用艾奇逊法制备的碳化硅粉体(纯度98%，平均粒径1.5μm)作为原料，其他条件与实施例1相同。经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为98.5%，致密度为95%，热导率为120W/m·K，抗弯强度为300MPa。
[0053]对比例2：
[0054]在实施例1的基础上，添加2wt%的B4C作为烧结助剂，其他条件相同。经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为99.5%，致密度为97%，热导率为140W/m·K，抗弯强度为350MPa。
[0055]对比例3：
[0056]在实施例1的基础上，采用氧化锆研磨介质(纯度99.9%)替代单晶碳化硅研磨介质，其他条件相同。经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为99.8%，致密度为98.2%，热导率为155W/m·K，抗弯强度为410MPa。XPS分析显示，材料中检测到Zr元素，含量为0.05wt%。
[0057]对比例4：
[0058]在实施例1的基础上，采用不锈钢内衬的球磨桶替代聚氨酯内衬球磨桶，其他条件相同。经测试，该碳化硅陶瓷的纯度为99.9%，致密度为98.3%，热导率为158W/m·K，抗弯强度为415MPa。XPS分析显示，材料中检测到Fe、Cr、Ni等金属元素，总含量为0.08wt%。
[0059]性能测试：
[0060](1)致密度测试方法
[0061]采用阿基米德排水法测定碳化硅陶瓷样品的致密度。将烧结后的碳化硅陶瓷样品加工成规则块状并进行表面清洁处理，在120℃条件下干燥2h以去除样品中的水分。待样品冷却至室温后，使用精密电子天平测定样品在空气中的质量，然后将样品浸入去离子水中测定其在水中的悬浮质量，根据阿基米德原理计算样品的体密度，并以碳化硅理论密度3.21g/cm³为基准计算样品的相对致密度。
[0062](2)热导率测试方法
[0063]采用激光闪射法测定碳化硅陶瓷样品的热导率。首先将烧结后的碳化硅陶瓷样品加工成直径约10mm、厚度为2～3mm的圆片状试样，并对样品表面进行适当抛光处理以保证表面平整。随后使用激光闪射导热仪测定样品的热扩散系数，同时结合样品的密度及比热容，通过公式计算得到样品的热导率。测试过程中在室温条件下进行，每个样品重复测试三次并取平均值作为最终结果。
[0064](3)抗弯强度测试方法
[0065]采用三点弯曲法测定碳化硅陶瓷样品的抗弯强度。将烧结后的碳化硅陶瓷加工成尺寸为3mm×4mm×36mm的长条形试样，并对样品表面进行打磨处理以减少表面缺陷的影响。随后将试样置于万能材料试验机上进行三点弯曲测试，跨距设置为30mm，加载速度为0.5mm/min，记录试样断裂时的最大载荷，根据相关计算公式计算得到样品的抗弯强度，每组样品测试不少于5个试样并取平均值作为最终结果。
[0066](4)维氏硬度测试方法
[0067]采用维氏硬度计测定碳化硅陶瓷样品的维氏硬度。首先将烧结后的碳化硅陶瓷样品进行表面抛光处理，使其表面达到镜面状态。随后在样品表面施加一定载荷(通常为9.8N或19.6N)，保持10～15s后卸载，并测量压痕对角线长度，根据维氏硬度计算公式计算得到样品的维氏硬度值。每个样品至少在不同位置测量5次并取平均值作为最终测试结果。
[0068]表1不同样品碳化硅陶瓷性能测试结果
[0069]
样品致密度(%)热导率(W/m·K)抗弯强度(MPa)维氏硬度(HV)实施例198.51604202450实施例2991654502520实施例3981504002380对比例1981203002100对比例2971403502250对比例398.21554102400对比例498.31584152420
[0070]根据表1所示，本发明实施例制备的高纯碳化硅陶瓷在致密度、热导率、抗弯强度以及维氏硬度等性能指标方面均表现出较为优异的性能。其中，实施例1通过采用高纯碳化硅微粉原料并结合洁净球磨处理与热压烧结工艺，能够获得致密度为98.5%、热导率为160W/m·K、抗弯强度为420MPa以及维氏硬度为2450HV的碳化硅陶瓷材料，说明本发明所提出的制备工艺能够有效促进碳化硅颗粒之间的结合与致密化，从而提高材料的综合性能。
[0071]进一步地，从表1数据可以看出，实施例2在各项性能指标上均优于实施例1和实施例3，其致密度达到99.0%，热导率达到165W/m·K，抗弯强度达到450MPa，维氏硬度达到2520HV，综合性能最佳。这主要是由于实施例2在碳化硅粉体粒径控制、球磨均匀性以及烧结条件等方面处于较为优化的参数范围，使得碳化硅颗粒在烧结过程中能够形成更加均匀致密的微观结构，从而显著提升材料的致密度和力学性能。
[0072]同时，对比例样品的性能明显低于本发明实施例。其中，对比例1由于采用传统艾奇逊法制备的碳化硅粉体，其原料纯度较低，导致所得碳化硅陶瓷的致密度、热导率及抗弯强度均明显下降;对比例2在体系中添加烧结助剂B4C，虽然在一定程度上能够促进烧结致密化，但同时降低了材料纯度并影响了热导性能;对比例3和对比例4分别由于采用氧化锆研磨介质以及不锈钢内衬球磨设备，在粉体加工过程中引入了金属杂质元素，从而对材料的纯度及性能产生不利影响。
[0073]综上所述，本发明通过采用高纯化学气相沉积碳化硅微粉作为原料，并结合单晶碳化硅研磨介质与聚氨酯内衬球磨设备进行洁净加工，同时配合高温压力烧结工艺，在不添加烧结助剂的条件下即可制备出具有高纯度、高致密度以及优异热学与力学性能的碳化硅陶瓷材料，验证了本发明技术方案的有效性和优越性。
说明书附图(2)
声明：
“高纯碳化硅陶瓷及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：曾国（绍兴）科技有限公司
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