JP2008150263A - Method for producing silicon carbide powder - Google Patents
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Abstract
【課題】高密度、高強度の炭化ケイ素焼結体を製造する原料として好適な炭化ケイ素粉末の製造方法を提供すること。
【解決手段】核粒子となるシリカ粒子を含むシリカゾルを生成した後、シリコンアルコキシド、アルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて混合し、温度およびpHを設定して加水分解する(A)(B)の異なる2段階の条件で加水分解して二峰性のシリカゾルを調製し、その後、フェノール類とホルムアルデヒドおよびアンモニア水溶液を添加して重合し、シリカ粒子を核としてその周囲をフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を作製し、無酸素雰囲気下800〜1000℃で熱処理して焼成し、次いで、不活性雰囲気下1400〜2200℃で熱処理して珪化することを特徴とする炭化ケイ素粉末の製造方法。
【選択図】なしA method for producing silicon carbide powder suitable as a raw material for producing a high-density, high-strength silicon carbide sintered body is provided.
A silica sol containing silica particles as core particles is produced, and then mixed by changing the quantitative ratio of silicon alkoxide, alcohol and aqueous ammonia solution, and set at temperature and pH to be hydrolyzed (A) (B). A bimodal silica sol is prepared by hydrolysis under different two-stage conditions, and then polymerized by adding phenols, formaldehyde and aqueous ammonia solution, and the core is coated with a phenol resin around the silica particles as the core A silicon carbide powder characterized in that a SiC precursor having a shell structure is prepared, heat-treated at 800 to 1000 ° C. in an oxygen-free atmosphere, and then silicified by heat treatment at 1400 to 2200 ° C. in an inert atmosphere. Manufacturing method.
[Selection figure] None
Description
本発明は、高密度で強度特性に優れた炭化ケイ素焼結体の製造に好適な炭化ケイ素粉末の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing silicon carbide powder suitable for producing a silicon carbide sintered body having high density and excellent strength characteristics.
炭化ケイ素粉末は、アチソン法で製造したバルク状炭化ケイ素を粉砕し、分級する方法が古くから知られている。しかし、炭化ケイ素は極めて硬質な物質であるため、微細で球形の粉末粒子に粉砕することが困難であり、また粉砕、分級過程において不純物が混入し易く、高純度のものを得難い難点がある。 For silicon carbide powder, a method of pulverizing and classifying bulk silicon carbide produced by the Atchison method has been known for a long time. However, since silicon carbide is an extremely hard substance, it is difficult to pulverize it into fine and spherical powder particles, and impurities are easily mixed in the pulverization and classification processes, and it is difficult to obtain a high-purity product.
そこで、気相プロセスによりサブミクロン級の微細な炭化ケイ素微粉末を製造する技術が開発されており、例えば特許文献1にはハロゲン化シランを熱分解して得られた炭化ケイ素粉末の平均粒径が0.2〜0.7μmで、各粒子の最大粒径と最小粒径の比率の平均が1.1〜1.4である易焼結性β型炭化ケイ素粉末が開示されている。 Therefore, a technique for producing fine silicon carbide fine powder of submicron grade by a gas phase process has been developed. For example, Patent Document 1 discloses an average particle diameter of silicon carbide powder obtained by thermally decomposing halogenated silane. Is an easily sinterable β-type silicon carbide powder in which the average ratio of the maximum particle size and the minimum particle size of each particle is 1.1 to 1.4.
また、特許文献2には、結晶子が50オングストローム以下のβ型SiCの集合体であり、平均粒径が0.01〜1μmである球状形状の超微粒子状β型多結晶SiCが開示されており、分子中に少なくとも1個のSiH結合を有し、SiX(Xはハロゲン原子など)結合を含まない有機けい素化合物を750℃以上で気相熱分解させることによって製造される旨が記載されている。 Further, Patent Document 2 discloses a spherical ultrafine particle β-type polycrystalline SiC that is an aggregate of β-type SiC having a crystallite of 50 angstroms or less and an average particle diameter of 0.01 to 1 μm. In addition, it is described that it is produced by vapor-phase pyrolysis of an organosilicon compound having at least one SiH bond in the molecule and containing no SiX (X is a halogen atom, etc.) bond at 750 ° C. or higher. ing.
特許文献3には、シリコンアルコキシドおよび少なくとも1つの炭化水素基をもつアルコキシシランとの混合物を加水分解して球状単分散ゲル粒として、これを焼成してβ−SiC化する球状単分散β−SiC微粒の製造方法が開示されている。
一方、炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素粉末に焼結助材などを混合した混合粉末を成形型に充填して、熱圧焼結する方法で製造されるが、原料粉末を均一に混合することが難しいという難点がある。 On the other hand, the silicon carbide sintered body is manufactured by a method in which a mixed powder obtained by mixing a silicon carbide powder with a sintering aid or the like is filled in a mold and subjected to hot-pressure sintering, but the raw material powder is uniformly mixed. There is a difficulty that it is difficult.
そこで、炭化けい素粉末および焼結助材などを分散媒に分散させてスラリーを調製し、鋳込み成形法により成形体を作製して熱圧焼結する方法が広く行われている。この場合、原料スラリーの流動性を高くすることが緻密な成形体を得る上で重要であり、スラリーの粘度は炭化ケイ素粉末の粒度特性により影響され、一般に粒子径の異なる炭化ケイ素粉末を用いて粒度調整した原料粉末が適用される。 Therefore, a method is widely used in which a silicon carbide powder, a sintering aid and the like are dispersed in a dispersion medium to prepare a slurry, and a compact is produced by a casting molding method and subjected to hot-pressure sintering. In this case, increasing the fluidity of the raw material slurry is important in obtaining a dense molded body, and the viscosity of the slurry is influenced by the particle size characteristics of the silicon carbide powder, and generally using silicon carbide powders having different particle sizes. The raw material powder adjusted in particle size is applied.
また、密度が高く、強度に優れた焼結体を得るには、成形体の密度を高くすることが有効であり、成形体の高密度化を図るためにも粒度調整した原料炭化ケイ素粉末を使用することが好ましいことになる。 In addition, in order to obtain a sintered body having a high density and excellent strength, it is effective to increase the density of the molded body. In order to increase the density of the molded body, the raw material silicon carbide powder whose particle size is adjusted is used. It will be preferred to use.
しかし、所望する粒子径の炭化ケイ素粉末を粉砕などの手段で調製することは、炭化ケイ素が極めて硬質な物質であるから容易でなく、結果的に製品得率が低下し、コスト高にもなる問題がある。 However, it is not easy to prepare silicon carbide powder having a desired particle size by means such as pulverization because silicon carbide is an extremely hard substance, resulting in a decrease in product yield and an increase in cost. There's a problem.
そこで、本発明者は、本出願人が先に開発、提案した二峰性の粒度分布を有するシリカ粒子が懸濁したスラリーの製造技術(特願2006−091098)、および、シリカ粒子の周囲をフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を焼成、炭化し、次いで珪化する炭化ケイ素粉末の製造技術(特願2006−012432)をベースとして研究を行い、高密度、高強度の炭化ケイ素焼結体を製造する原料として好適な炭化ケイ素粉末の製造に成功した。 Therefore, the present inventor has developed a slurry manufacturing technique (Japanese Patent Application No. 2006-091098) in which silica particles having a bimodal particle size distribution previously developed and proposed by the present applicant, and the surroundings of the silica particles. High-density, high-strength silicon carbide is researched based on silicon carbide powder manufacturing technology (Japanese Patent Application No. 2006-012432), which is obtained by firing, carbonizing, and then silicifying core-shell SiC precursors coated with phenolic resin. Silicon carbide powder suitable as a raw material for producing a sintered body was successfully produced.
すなわち、本発明の目的は、高密度、高強度の炭化ケイ素焼結体を製造する原料として好適な炭化ケイ素粉末の製造方法を提供することにある。 That is, an object of the present invention is to provide a method for producing silicon carbide powder suitable as a raw material for producing a high-density, high-strength silicon carbide sintered body.
上記の目的を達成するための本発明に係る炭化ケイ素粉末の製造方法は、シリコンアルコキシドとアルコールの混合溶液にアンモニア水溶液を添加して撹拌し、加水分解してシリカゾルを調製する際に、加水分解時の温度およびpHを調整して核粒子となるシリカ粒子の平均粒子径が400nm以下のシリカゾルを生成した後、
(A)該シリカゾルに、シリコンアルコキシド、アルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて添加、混合し、温度を35℃〜アルコールの沸点未満、pHを8〜13に設定して加水分解して、前記シリカ核粒子の大粒化を図り、
(B)次いで、シリコンアルコキシド、アルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて添加、混合し、温度を35℃〜アルコールの沸点未満、pHを8〜13に設定して加水分解して、更にシリカ核粒子を大粒化するとともに、大粒中で小粒子を形成させる、
少なくとも(A)、(B)2段階の異なる条件で加水分解して、シリカ粒子の粒度分布が二峰性のシリカゾルを調製し、その後、フェノール類とホルムアルデヒドおよびアンモニア水溶液を添加して重合し、シリカ粒子を核としてその周囲をフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を作製し、無酸素雰囲気下800〜1000℃で熱処理して焼成し、次いで、不活性雰囲気下1400〜2200℃で熱処理して珪化することを構成上の特徴とする。
In order to achieve the above object, the method for producing silicon carbide powder according to the present invention comprises adding an aqueous ammonia solution to a mixed solution of silicon alkoxide and alcohol, stirring and hydrolyzing to prepare a silica sol. After adjusting the temperature and pH at the time to produce a silica sol having an average particle diameter of 400 nm or less of silica particles serving as core particles,
(A) The silica sol is added and mixed with varying amounts of silicon alkoxide, alcohol and aqueous ammonia solution, and is hydrolyzed by setting the temperature at 35 ° C. to less than the boiling point of the alcohol and the pH at 8 to 13. To increase the size of silica core particles,
(B) Next, silicon alkoxide, alcohol and aqueous ammonia solution are added and mixed at different ratios, hydrolyzed by setting the temperature at 35 ° C. to less than the boiling point of the alcohol, and the pH at 8 to 13, and further silica nuclei. While increasing the size of the particles, small particles are formed in the large particles.
Hydrolysis under different conditions of at least (A) and (B) to prepare a silica sol having a bimodal particle size distribution of silica particles, and then polymerize by adding phenols, formaldehyde and an aqueous ammonia solution, An SiC precursor having a core / shell structure in which silica particles are used as cores and coated with phenol resin is prepared, heat-treated at 800 to 1000 ° C. in an oxygen-free atmosphere and fired, and then 1400 to 2200 ° C. in an inert atmosphere. It is structurally characterized by silicidizing by heat treatment.
上記構成において、二峰性の粒度分布を有するシリカゾルのシリカ大粒子の平均粒子径Dlは500〜2000nm、シリカ小粒子の平均粒子径Dsは10〜500nmであることが好ましく、また、シリカ大粒子の平均粒子径Dlとシリカ小粒子の平均粒子径Dsとの比Dl/Dsは2〜100であることが好ましい。 In the above configuration, the average particle diameter Dl of the silica large particles of the silica sol having a bimodal particle size distribution is preferably 500 to 2000 nm, and the average particle diameter Ds of the silica small particles is preferably 10 to 500 nm. The ratio Dl / Ds between the average particle diameter Dl of the silica and the average particle diameter Ds of the small silica particles is preferably 2 to 100.
本発明によれば、少なくとも粒度分布が二峰性のシリカ粒子が分散したシリカゾルを調製し、該シリカゾルのシリカ粒子を核としてその周囲をフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を作製して焼成、炭化した後、珪化して、大粒子径と小粒子径のシリカ粒子が混在する炭化ケイ素粉末を製造することができるので、この炭化ケイ素粉末を原料とすることにより、高密度で高強度の炭化ケイ素焼結体を製造することが可能となる。 According to the present invention, a silica sol in which silica particles having at least a bimodal particle size distribution are dispersed is prepared, and an SiC precursor having a core / shell structure in which the silica particles of the silica sol are coated with a phenol resin around the core is prepared. Then, after firing, carbonizing, and silicifying, a silicon carbide powder in which silica particles having a large particle size and a small particle size are mixed can be manufactured. A high-strength silicon carbide sintered body can be produced.
本発明の炭化ケイ素粉末の製造方法の基本プロセスは、シリコンアルコキシドとアルコールの混合溶液にアンモニア水溶液を添加、撹拌してシリコンアルコキシドを加水分解してシリカ粒子が分散したシリカゾルを作製し、次に、シリカゾル中のシリカ粒子を核としてその周囲をフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を作製して、炭化および珪化して炭化ケイ素粉末に転化するものである。 The basic process of the method for producing the silicon carbide powder of the present invention is to add a solution of ammonia to a mixed solution of silicon alkoxide and alcohol, stir to hydrolyze the silicon alkoxide to produce a silica sol in which silica particles are dispersed, An SiC precursor having a core / shell structure in which silica particles in silica sol are used as cores and the periphery thereof is coated with a phenol resin is prepared, and carbonized and silicified to be converted into silicon carbide powder.
この基本プロセスにおいて、先ず、シリコンアルコキシドをアルコールに溶解し、この混合溶液にアンモニア水溶液を添加し、温度およびpHを調整してシリコンアルコキシドを加水分解し、核粒子となる粒子径が400nm以下のシリカが分散したシリカゾルを生成させる。この場合、粒子径が均一なシリカ粒子を生成させることが好ましく、例えば、シリコンアルコキシドを体積比で3〜8のアルコールに溶解し、アンモニア水溶液を加えて、温度を20〜70℃、pHを8〜13に調整して加水分解することにより平均粒子径が400nm以下のシリカ核粒子を生成させる。 In this basic process, first, silicon alkoxide is dissolved in alcohol, an aqueous ammonia solution is added to the mixed solution, and the temperature and pH are adjusted to hydrolyze the silicon alkoxide, whereby silica particles having a core particle size of 400 nm or less. Produces a silica sol in which is dispersed. In this case, it is preferable to produce silica particles having a uniform particle diameter. For example, silicon alkoxide is dissolved in an alcohol having a volume ratio of 3 to 8, an aqueous ammonia solution is added, the temperature is 20 to 70 ° C., and the pH is 8. The silica core particles having an average particle diameter of 400 nm or less are generated by adjusting to ˜13 and hydrolyzing.
シリコンアルコキシドとしては、アルキルシリケート、(モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−)アルコキシシラン、テトラアルコキシシランの重合体などが例示される。アルキルシリケートとしては、メチルシリケート、エチルシリケート、ブチルシリケートなどがあり、取扱い性、反応性の観点からエチルシリケートが好ましい。アルコキシシランとしては、テトラアルコキシシランが好ましく、テトラアルコキシシランの重合体としては、重合度が2〜15程度の低分子量重合体が好適である。 Examples of the silicon alkoxide include alkyl silicate, (mono-, di-, tri-, tetra-) alkoxysilane, tetraalkoxysilane polymer, and the like. Examples of the alkyl silicate include methyl silicate, ethyl silicate, butyl silicate and the like, and ethyl silicate is preferable from the viewpoints of handleability and reactivity. As the alkoxysilane, tetraalkoxysilane is preferable, and as the polymer of tetraalkoxysilane, a low molecular weight polymer having a polymerization degree of about 2 to 15 is preferable.
シリコンアルコキシドを溶解するアルコールは、水溶性であれば特に制限はなく、メタノール、エタノールなど使用することができる。但し、上記シリカゾルを生成する際の加熱温度は、アルコールの沸点以下で行うことが好ましい。 The alcohol that dissolves the silicon alkoxide is not particularly limited as long as it is water-soluble, and methanol, ethanol, and the like can be used. However, it is preferable that the heating temperature for producing the silica sol is not higher than the boiling point of the alcohol.
このようにしてシリカ核粒子を生成させたシリカゾルに、(A)シリコンアルコキシドとアルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて添加、混合し、温度およびpHを制御してシリコンアルコキシドを加水分解してシリカ核粒子を粒成長させる。具体的には、温度を35℃〜アルコールの沸点未満、pHを8〜13に設定して加水分解することにより、シリカ粒子を900nm程度に大粒化する。 (A) The silicon alkoxide, alcohol, and aqueous ammonia solution were added to and mixed with the silica sol that produced the silica core particles in this manner, and the silicon alkoxide was hydrolyzed by controlling the temperature and pH to obtain silica. Grows core particles. Specifically, silica particles are enlarged to about 900 nm by hydrolysis at a temperature of 35 ° C. to less than the boiling point of alcohol and a pH of 8 to 13.
次いで、(B)再びシリコンアルコキシド、アルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて添加、混合し温度およびpHを制御してシリコンアルコキシドを加水分解する。
具体的には、温度を35℃〜アルコールの沸点未満、pHを8〜13に設定して加水分解することによりシリカ粒子を更に粒成長させて大粒化するとともに、大粒子中に小粒子を形成させる。
Next, (B) the silicon alkoxide is hydrolyzed by changing and adding the silicon alkoxide, the alcohol and the aqueous ammonia solution again, mixing and controlling the temperature and pH.
Specifically, the temperature is set to 35 ° C. to less than the boiling point of the alcohol, and the pH is set to 8 to 13, whereby the silica particles are further grown to become large particles and the small particles are formed in the large particles. Let
このようにして、核粒子となる平均粒子径が400nm以下のシリカ粒子が分散したシリカゾルに、シリコンアルコキシド、アルコール、アンモニア水溶液の量比を変えて添加し、シリコンアルコキシドの加水分解を少なくとも(A)、(B)2段階の異なる条件下で行うことにより、粒子径の大きいシリカ粒子と粒子径の小さいシリカ粒子を生成させ、シリカ粒子の粒度分布が2つのピークを有する二峰性のシリカゾルが調製される。 In this way, the silica sol in which silica particles having an average particle diameter of 400 nm or less serving as core particles are dispersed is added with varying amounts of silicon alkoxide, alcohol, and aqueous ammonia solution, and at least hydrolysis of the silicon alkoxide is performed (A). (B) By carrying out under two different conditions, a silica particle having a large particle size and a silica particle having a small particle size are generated, and a bimodal silica sol having two peaks in the particle size distribution of the silica particle is prepared. Is done.
この場合、シリコンアルコキシド、アルコール、アンモニア水溶液の量比を変え、また加水分解時の温度およびpHを調整することにより、二峰性のシリカゾルの粒度特性を制御して、シリカ大粒子の平均粒子径Dlを500〜2000nm、シリカ小粒子の平均粒子径Dsを10〜500nmに、またその比Dl/Dsを2〜100に制御することにより、高密度、高強度の炭化ケイ素焼結体を製造する上で好適な粒度特性を有する炭化ケイ素粉末を製造することができる。 In this case, by changing the quantity ratio of silicon alkoxide, alcohol, and aqueous ammonia, and adjusting the temperature and pH during hydrolysis, the particle size characteristics of the bimodal silica sol are controlled, and the average particle size of the large silica particles By controlling Dl to 500 to 2000 nm, the average particle diameter Ds of silica small particles to 10 to 500 nm, and the ratio Dl / Ds to 2 to 100, a high-density, high-strength silicon carbide sintered body is produced. A silicon carbide powder having suitable particle size characteristics can be produced.
このようにして得られたシリカ粒子の粒度分布が2つのピークを有する二峰性のシリカゾルに水を加えて希釈した後、希釈液にフェノール類とホルムアルデヒドおよびアンモニア水溶液を添加して、フェノール類とホルムアルデヒドを重合させることにより、シリカ粒子の周囲にフェノール類・ホルムアルデヒドの重合物を生成させ、シリカ粒子の核(コア)を、フェノール樹脂で被覆(シェル)した、コア・シェル構造のSiC前駆体を作製する。 After diluting by adding water to the bimodal silica sol having two peaks in the particle size distribution of the silica particles thus obtained, phenols, formaldehyde and an aqueous ammonia solution are added to the diluted solution, By polymerizing formaldehyde, a polymer of phenols and formaldehyde is formed around silica particles, and a core / shell structure SiC precursor in which the core (core) of silica particles is coated (shell) with a phenol resin. Make it.
希釈液はシリカゾルに体積比で0.5〜2倍量の水を加えて希釈することが好ましい。水の添加量が0.5倍量以下ではフェノール類を溶解し得る量が著しく少なく、一方2倍量以上ではフェノール類およびホルムアルデヒドの濃度が希薄となり、いずれも重合反応が円滑に進まなくなるためである。 The diluent is preferably diluted by adding 0.5 to 2 times the volume of water to silica sol by volume. When the amount of water added is 0.5 times or less, the amount capable of dissolving phenols is remarkably small. On the other hand, when the amount is 2 times or more, the concentration of phenols and formaldehyde becomes dilute, and the polymerization reaction does not proceed smoothly. is there.
なお、コア・シェル構造のSiC前駆体は、フェノール樹脂とシリカ粒子の割合が体積比でシリカ粒子100に対してフェノール樹脂が33〜500程度となるように調整することが好ましく、例えば、フェノール類に対してホルムアルデヒドをモル比で0.5〜3の範囲で加えて重合させることが好ましい。 The SiC precursor having a core / shell structure is preferably adjusted so that the ratio of the phenol resin to the silica particles is about 33 to 500 by volume with respect to the silica particles 100. For example, phenols It is preferable to polymerize by adding formaldehyde in a molar ratio of 0.5 to 3.
重合によって得られるフェノール樹脂の体積比が33以下ではシリカ粒子を完全に被覆することができないためであり、また、フェノール樹脂の体積比が500以上となると焼成して樹脂を炭化した際の遊離炭素分が多くなるので、その除去に多くの手間が掛かり、生産性が低下することになる。 This is because when the volume ratio of the phenol resin obtained by polymerization is 33 or less, the silica particles cannot be completely coated, and when the volume ratio of the phenol resin is 500 or more, free carbon when the resin is baked to carbonize the resin. Since the amount increases, it takes a lot of work to remove it, and productivity is lowered.
重合反応は、室温〜100℃の温度範囲内で、pH9〜13の条件で行うことが好ましい。室温以下では重合反応の反応速度が遅く、100℃以上では溶媒の揮散が生じるうえ反応が極めて早く進むために、反応暴走するおそれがあるからである。また、pHが6〜8の中性付近では反応が極めて遅く、更にpH5以下では重合物がゲル化したり、スポンジ状となり、微粉末とするためには粉砕処理が必要となるなどのためである。 The polymerization reaction is preferably performed under conditions of pH 9 to 13 within a temperature range of room temperature to 100 ° C. This is because the reaction rate of the polymerization reaction is slow at room temperature or lower, and the solvent volatilization occurs at 100 ° C. or higher and the reaction proceeds very quickly, which may cause reaction runaway. In addition, the reaction is very slow at a neutral pH of 6 to 8, and the polymer is gelled or spongy at a pH of 5 or less, and a pulverization process is required to obtain a fine powder. .
なお、フェノール類としては、ホルムアルデヒドとの反応により重合物を生成するものであれば何れも使用でき、フェノール、2−メチルフェノール、3−メチルフェノール、4−メチルフェノール、1、3ジヒドロキシベンゼン、1、4ジヒドロキシベンゼンなどが例示され、好ましくは1、3ジヒドロキシベンゼンが用いられる。 Any phenol can be used as long as it generates a polymer by reaction with formaldehyde, such as phenol, 2-methylphenol, 3-methylphenol, 4-methylphenol, 1,3 dihydroxybenzene, 1 4, dihydroxybenzene and the like are exemplified, and preferably 1,3 dihydroxybenzene is used.
このようにして作製した粒度分布が二峰性のシリカ粒子を核(コア)として、その周囲をフェノール樹脂で被覆(シェル)した、コア・シェル構造のSiC前駆体をろ過分離して、50〜150℃で乾燥した後、無酸素雰囲気下800〜1000℃で熱処理してフェノール樹脂を焼成し、炭化する。 The core-shell structured SiC precursor, in which the silica particles having a bimodal particle size distribution thus produced are used as cores (cores) and the periphery thereof is coated (shell) by filtration, is separated by filtration. After drying at 150 ° C., the phenol resin is baked and carbonized by heat treatment at 800 to 1000 ° C. in an oxygen-free atmosphere.
この焼成、炭化処理により、シリカ(SiO2)をコアとして、その周囲を樹脂炭化物が被覆したC/SiO2構造のSiC前駆体の焼成炭化物が得られる。なお、焼成熱処理時の温度が800℃以下では焼成炭化が不十分となり、一方1000℃以上の温度ではシリカの炭素による還元反応が生じることになり、好ましくない。 By this calcination and carbonization treatment, a calcination carbide of a SiC precursor having a C / SiO 2 structure in which silica (SiO 2 ) is used as a core and the periphery thereof is coated with a resin carbide is obtained. It should be noted that if the temperature during the calcining heat treatment is 800 ° C. or less, calcining carbonization is insufficient, while if the temperature is 1000 ° C. or more, a reduction reaction of silica with carbon occurs, which is not preferable.
次に、このSiC前駆体を熱処理して得られたC/SiO2構造の焼成炭化物をHe、Ne、ArやN2などの不活性雰囲気下1400〜2200℃の温度で熱処理してシリカを炭素により熱還元して、SiO2+C→SiO+CO、SiO+2C→SiC+CO、の反応により珪化する。なお、熱処理温度が1400℃以下ではこの反応の進行が遅く、また2200℃以上ではSiCが分解するためである。 Next, the calcined carbide having a C / SiO 2 structure obtained by heat-treating this SiC precursor is heat-treated at a temperature of 1400 to 2200 ° C. in an inert atmosphere such as He, Ne, Ar, and N 2 to convert the silica into carbon. And then silicified by reaction of SiO 2 + C → SiO + CO, SiO + 2C → SiC + CO. This is because the reaction proceeds slowly when the heat treatment temperature is 1400 ° C. or lower, and SiC decomposes when the heat treatment temperature is 2200 ° C. or higher.
なお、珪化した生成物には遊離炭素が存在するので、これを除去する必要があり、遊離炭素の除去は、例えば空気中で1000℃以下の温度で加熱して遊離炭素を燃焼除去する方法が簡便であり好ましい。但し、1000℃以上の温度ではSiCの酸化が生じる。このようにして炭化ケイ素粉末が製造される。 In addition, since free carbon exists in the silicified product, it is necessary to remove this, and the removal of free carbon is, for example, a method of burning and removing free carbon by heating at a temperature of 1000 ° C. or less in air. Simple and preferable. However, SiC is oxidized at a temperature of 1000 ° C. or higher. In this way, silicon carbide powder is produced.
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。 Examples of the present invention will be specifically described below in comparison with comparative examples.
実施例1
テトラエトキシシラン35gをエタノール175g(体積比で5.8倍量)に溶解し、濃度3%のアンモニア水溶液70gを加えて撹拌し、温度25℃、pH12に調整してテトラエトキシシランを加水分解して、核粒子となるシリカ粒子の平均粒子径が370nmのシリカゾルを作製した。
Example 1
35 g of tetraethoxysilane is dissolved in 175 g of ethanol (5.8 times by volume), 70 g of 3% aqueous ammonia solution is added and stirred, and the temperature is adjusted to 25 ° C. and pH 12 to hydrolyze tetraethoxysilane. Thus, a silica sol having an average particle diameter of 370 nm of silica particles serving as core particles was produced.
このシリカゾル280gに、(A)テトラエトキシシラン350g、エタノール1750g、3%のアンモニア水溶液700gを加えて撹拌し、温度25℃、pH12に調整して、テトラエトキシシランを加水分解してシリカ核粒子を平均粒子径920nmに粒成長させて大粒化を図った。 To 280 g of this silica sol, 350 g of (A) tetraethoxysilane, 1750 g of ethanol, and 700 g of 3% aqueous ammonia solution are added and stirred, and adjusted to a temperature of 25 ° C. and pH 12 to hydrolyze tetraethoxysilane to form silica core particles. The average particle size was increased to 920 nm to increase the size.
次いで、(A)のシリカゾル全量の1/10を分取したのち、(B)テトラエトキシシラン35g、エタノール175g、および3%のアンモニア水溶液70gを加えて撹拌して温度40℃、pH12に調整し、テトラエトキシシランを加水分解してシリカ粒子を大粒化し、平均粒子径Dlを1480nmに成長させて大粒化するとともに、大粒子中に小粒子を形成して平均粒子径Dsが280nmの二峰性の粒度分布を有するシリカゾルを調製した。 Next, after separating 1/10 of the total amount of silica sol of (A), (B) 35 g of tetraethoxysilane, 175 g of ethanol, and 70 g of 3% ammonia aqueous solution were added and stirred to adjust the temperature to 40 ° C. and pH 12. Then, tetraethoxysilane is hydrolyzed to increase the size of silica particles, and the average particle size Dl grows to 1480 nm to increase the size of the particles. In addition, small particles are formed in the large particles, and the average particle size Ds is 280 nm. A silica sol having the following particle size distribution was prepared.
このシリカゾルに体積比で1:1のイオン交換水を加えて希釈した後、希釈液に1、3ジヒドロキシベンゼンと、その2倍量(モル比)のホルムアルデヒドを添加、攪拌した。なお、1、3ジヒドロキシベンゼンの添加量は、1、3ジヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドが重合して生成するフェノール樹脂の体積比がシリカゾル中のシリカ粒子の300%となるように設定した。 The silica sol was diluted by adding ion exchange water at a volume ratio of 1: 1, and then 1,3 dihydroxybenzene and twice its amount (molar ratio) of formaldehyde were added to the diluted solution and stirred. The addition amount of 1,3 dihydroxybenzene was set so that the volume ratio of the phenol resin produced by polymerization of 1,3 dihydroxybenzene and formaldehyde was 300% of the silica particles in the silica sol.
次いで、アンモニア水溶液を添加してpH12に調整し、室温で攪拌混合して1、3ジヒドロキシベンゼンとホルムアルデヒドを重合させて、シリカ粒子を核として、その周囲を重合物であるフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を含む懸濁液を作製した。この懸濁液をろ過して固形分のみを分離して取り出し、SiC前駆体を作製した。 Next, an aqueous ammonia solution is added to adjust the pH to 12, the mixture is stirred and mixed at room temperature to polymerize 1,3 dihydroxybenzene and formaldehyde, and the core is coated with a phenol resin as a polymer around silica particles. -A suspension containing a SiC precursor having a shell structure was prepared. This suspension was filtered to separate and remove only the solid content, thereby producing a SiC precursor.
このSiC前駆体を100℃で乾燥したのち酸素を遮断した無酸素雰囲気下に900℃の温度で熱処理して焼成炭化し、シリカ(SiO2)をコアとして、その周囲を樹脂炭化物が被覆したC/SiO2構造のSiC前駆体の焼成炭化物を得た。 This SiC precursor was dried at 100 ° C., then heat-treated at 900 ° C. in an oxygen-free oxygen-barrier atmosphere, calcined and calcined, with silica (SiO 2 ) as the core, and the surroundings coated with resin carbide. A calcined carbide of a SiC precursor having a / SiO 2 structure was obtained.
次に、この焼成炭化物をArガス雰囲気中、1700℃の温度で熱処理して、SiO2をCで熱還元して珪化した後、空気中で800℃に加熱して遊離炭素を燃焼除去して、炭化ケイ素粉末を製造した。 Next, the calcined carbide is heat-treated in an Ar gas atmosphere at a temperature of 1700 ° C., and SiO 2 is thermally reduced with C to be silicified, and then heated to 800 ° C. in air to burn and remove free carbon. A silicon carbide powder was produced.
実施例2
実施例1において、(B)の加水分解をアンモニア水溶液添加量35g、温度35℃、pH11とした他は、実施例1と同じ方法で炭化ケイ素粉末を製造いた。
Example 2
In Example 1, silicon carbide powder was produced in the same manner as in Example 1 except that (B) was hydrolyzed with an aqueous ammonia addition amount of 35 g, a temperature of 35 ° C., and a pH of 11.
実施例3
実施例1において、(B)の加水分解をアンモニア水溶液添加量140g、温度70℃、pH13とした他は、実施例1と同じ方法で炭化ケイ素粉末を製造いた。
Example 3
In Example 1, silicon carbide powder was produced in the same manner as in Example 1 except that hydrolysis of (B) was carried out by adding an aqueous ammonia solution amount of 140 g, a temperature of 70 ° C., and a pH of 13.
比較例1
実施例1において、(A)、(B)の加水分解を行わない他は全て実施例1と同じ方法で炭化ケイ素粉末を製造した。
Comparative Example 1
In Example 1, silicon carbide powder was produced in the same manner as in Example 1 except that (A) and (B) were not hydrolyzed.
比較例2
実施例1において、(B)の加水分解を行わない他は全て実施例1と同じ方法で炭化ケイ素粉末を製造した。
Comparative Example 2
In Example 1, silicon carbide powder was produced in the same manner as in Example 1 except that (B) was not hydrolyzed.
このようにして製造した炭化ケイ素粉末について、レーザー回折方式により粒度分布を測定して平均粒子径を求めた。得られた結果を製造方法と対比して表1〜2に示した。 For the silicon carbide powder thus produced, the particle size distribution was measured by a laser diffraction method to determine the average particle size. The obtained results are shown in Tables 1 and 2 in comparison with the production method.
次に、これらの炭化ケイ素粉末のタップ密度を測定して、粉体充填性を比較した。なおタップ密度はJIS R1628−1997「ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法」の定容積測定法によって測定した。 Next, the tap density of these silicon carbide powders was measured, and the powder filling properties were compared. The tap density was measured by the constant volume measurement method of JIS R1628-1997 “Method for measuring bulk density of fine ceramic powder”.
表1〜3より、二峰性のシリカゾルを用いて製造した実施例のSiC粉末は粉体充填性が高く、一方、単一粒度分布のシリカゾルより生成した比較例のSiC粉末は実施例に比べて粉体充填性が劣るものであった。 From Tables 1-3, the SiC powder of the Example manufactured using the bimodal silica sol has high powder filling property, while the SiC powder of the comparative example produced from the silica sol having a single particle size distribution is higher than that of the Example. The powder filling property was inferior.
Claims (3)
(A)該シリカゾルに、シリコンアルコキシド、アルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて添加、混合し、温度を35℃〜アルコールの沸点未満、pHを8〜13に設定して加水分解して、前記シリカ核粒子の大粒化を図り、
(B)次いで、シリコンアルコキシド、アルコールおよびアンモニア水溶液の量比を変えて添加、混合し、温度を35℃〜アルコールの沸点未満、pHを8〜13に設定して加水分解して、更にシリカ核粒子を大粒化するとともに、大粒中で小粒子を形成させる、
少なくとも(A)、(B)2段階の異なる条件で加水分解して、シリカ粒子の粒度分布が二峰性のシリカゾルを調製し、その後、フェノール類とホルムアルデヒドおよびアンモニア水溶液を添加して重合し、シリカ粒子を核としてその周囲をフェノール樹脂で被覆したコア・シェル構造のSiC前駆体を作製し、無酸素雰囲気下800〜1000℃で熱処理して焼成し、次いで、不活性雰囲気下1400〜2200℃で熱処理して珪化することを特徴とする炭化ケイ素粉末の製造方法。 When preparing a silica sol by adding an aqueous ammonia solution to a mixed solution of silicon alkoxide and alcohol and stirring and hydrolyzing, the average particle size of silica particles as core particles is adjusted by adjusting the temperature and pH during hydrolysis. After producing a silica sol of 400 nm or less,
(A) The silica sol is added and mixed with varying amounts of silicon alkoxide, alcohol and aqueous ammonia solution, and is hydrolyzed by setting the temperature at 35 ° C. to less than the boiling point of the alcohol and the pH at 8 to 13. To increase the size of silica core particles,
(B) Next, silicon alkoxide, alcohol and aqueous ammonia solution are added and mixed at different ratios, hydrolyzed by setting the temperature at 35 ° C. to less than the boiling point of the alcohol, and the pH at 8 to 13, and further silica nuclei. While increasing the size of the particles, small particles are formed in the large particles.
Hydrolysis under different conditions of at least (A) and (B) to prepare a silica sol having a bimodal particle size distribution of silica particles, and then polymerize by adding phenols, formaldehyde and an aqueous ammonia solution, An SiC precursor having a core / shell structure in which silica particles are used as cores and coated with phenol resin is prepared, heat-treated at 800 to 1000 ° C. in an oxygen-free atmosphere and fired, and then 1400 to 2200 ° C. in an inert atmosphere. A method for producing silicon carbide powder, wherein the silicon carbide powder is heat-treated and silicified.
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