碳化硅粉末及其制备方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2017-0061876的权益，该申请的公开内容通过引用全部并入本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种碳化硅粉末的制备方法和由此制备的碳化硅粉末，在所述制备方法中，使用球形二氧化硅气凝胶粉末作为二氧化硅原料。

背景技术：

碳化硅(sic)在自然界中不存在并且是碳和硅以1:1的比例键合的共价化合物，其中，由于热导率高并且热膨胀系数低，因此，即使在高温下热稳定性也优异并且化学稳定性高。此外，由于机械强度高，因此耐磨性优异。

由于这些优异的性能，已经积极进行将碳化硅作为能够克服常规高温金属材料的限制的新材料用于航空航天的耐热材料、高性能制动盘、用于聚变发电的毡结构材料、诸如气冷快堆(gfr)和极高温反应堆(vhtr)物质的高温材料、耐腐蚀或耐化学部件、诸如半导体的电子元件、需要高机械强度的研磨料和汽车零部件中的研究。

在这些多种领域中的半导体领域中，由于碳化硅具有宽的能带隙(硅(si)的能带隙的2至3倍)以及高的介电击穿场和热导率，因此，sic器件/模块在能量变换中具有比si器件低的损耗，因此，预期将碳化硅应用于功率器件，如在高达约500℃下可用的半导体。

在陶瓷材料或用于半导体的加工材料方面，当考虑碳化硅时，碳化硅的超高纯是比机械性能更重要的特征指标。

随着半导体工业的进步和高集成度且大直径基板技术的发展的加速，由于半导体基板的杂质成为半导体基板的特性劣化的原因，因此，需要在半导体工艺中使用的超纯碳化硅部件/夹具。

随着对碳化硅作为可以替代硅的用于功率器件的新材料的期望增加，提高碳化硅块状单晶(晶锭)的生产率是非常重要的任务以降低在器件中使用的sic基板的成本，为此，本发明试图提供一种工艺技术，该工艺技术使用球形二氧化硅气凝胶粒子作为起始二氧化硅原料，可以在比常规工艺低的温度下合成高纯碳化硅粉末。

[现有技术文献]

(专利文献1)韩国专利申请特许公开no.10-1084711(于2011.11.11公开)

技术实现要素：

技术问题

本发明的一个方面提供一种制备方法，该制备方法通过使用超多孔球形二氧化硅气凝胶作为二氧化硅原料来增加相对于碳原料的反应面积以便降低碳化硅合成反应的反应温度，能够低温合成碳化硅。

本发明的另一方面提供一种制备方法，其中，通过以特定的制备方法制备球形二氧化硅气凝胶，可以制备超纯碳化硅并且均匀地控制合成的碳化硅粉末的尺寸和形状。

本发明的另一方面提供一种制备方法，该制备方法可以通过使用低成本的水玻璃制备二氧化硅气凝胶粒子来提高经济效率和生产率。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种碳化硅的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)制备包含碳原料和二氧化硅原料的混合溶液；以及

(2)通过干燥所述混合溶液并且在惰性气氛中热处理所述干燥后的混合溶液来合成碳化硅，

其中，所述二氧化硅原料是球形二氧化硅气凝胶。

有益效果

根据本发明的碳化硅的制备方法，可以在比使用结晶或无定形二氧化硅粉末作为二氧化硅原料的常规制备方法的合成温度低的1,400℃至1,550℃的合成温度下制备具有均匀形状和0.01μm至1,000μm的均匀尺寸的碳化硅粉末，并且可以在1,525℃至1,550℃的合成温度下制备超纯碳化硅粉末。

另外，在使用其中使用低成本的水玻璃的球形二氧化硅气凝胶作为用于制备碳化硅粉末的二氧化硅原料的情况下，碳化硅粉末的成本可以显著降低，由于制备的粉末具有非团聚的分散相的低密度(振实密度)，因此不需要研磨工艺，由于低烧结温度而可以制备高密度碳化硅产品，并且由于当将制备的粉末用作用于制备单晶的原料时，升华速率可以显著提高，因此，可以减少碳化硅基板制造成本。

附图说明

图1是示出本发明的碳化硅的制备方法的流程图；

图2示出了本发明的实施例1、实施例2和实施例7的根据二氧化硅原料与碳原料的摩尔比的x射线衍射分析图；

图3示出了本发明的实施例2至实施例6和比较例1的根据二氧化硅原料的类型的x射线衍射分析图；

图4示出了本发明的实施例2和实施例3以及比较例2的根据二氧化硅原料的类型的x射线衍射分析图；

图5是示出本发明的实施例2和比较例3的根据用作二氧化硅原料的二氧化硅气凝胶的形状的最终制备的碳化硅粉末的形态的图像；

图6示出了本发明的实施例2和比较例3的根据用作二氧化硅原料的二氧化硅气凝胶的形状的最终制备的碳化硅粉末的粒度分布图。

具体实施方式

下文中，将更详细地描述本发明以更清楚地理解本发明。在这种情况下，应当理解的是，本说明书和权利要求书中使用的词语或术语不应理解为在常用的字典中所定义的含义。还应当理解的是，这些词语或术语应当基于发明人可以适当地定义词语或术语的含义以最好地说明本发明的原则，理解为具有与它们在相关领域的背景中和在本发明的技术构思中的含义一致的含义。

碳化硅粉末的最典型的制备方法包括acheson方法、二氧化硅碳热还原方法或蒸汽相方法，并且在这些方法中，工业中最常用的方法是acheson方法，其中，优点在于，可以使用低成本原料大量制备碳化硅粉末，但是缺点在于，其工艺温度非常高(2,000℃)，存在大量的杂质，由于大且不均匀的粒度而需要研磨工艺和用于高纯化的附加工艺。通过acheson方法制备的碳化硅粉末主要用于研磨剂。

关于二氧化硅碳热还原方法，其工艺温度低于acheson方法，但是仍然需要1,600℃以上的高温，并且缺点在于，由于工艺时间长而工艺成本高并且生产率低，难以控制碳化硅的粒度，并且其比表面积低。此外，由于大量的残留氧而存在难以得到高纯粉末的问题。

碳化硅单晶(sic晶锭)通过将碳化硅粉末在约2,400℃的高温下升华并且再沉淀的“升华-再结晶方法”制备，并且已知的是，通过该工艺制备的碳化硅单晶的生产率受到作为原料的碳化硅粉末的升华性能的显著影响。因此，为了提高碳化硅单晶的生产率，绝对需要开发一种具有优异的升华速率和升华气体量的高纯碳化硅粉末材料。

为了提高碳化硅粉末的升华速率，必须确定粉末的组成、尺寸、形状和微观结构对升华速率的影响，并且必须确保能够以低成本制备具有最佳形状和尺寸的碳化硅粉末的合成工艺。

另外，为了在升华过程中将气体平稳地输送至填充粉末中，碳化硅粉末的孔结构必须恒定并且由具有均匀尺寸的孔组成，但是，由于通过acheson方法合成的粉末(通过在惰性气氛中sio2与碳的混合粉末的碳热还原制备)被研磨并且用作升华-再结晶方法中通常使用的碳化硅粉末，因此，其缺点在于，由于致密结构和各向同性特性，升华速率低。

因此，需要开发一种能够以低成本制备具有可以使升华速率最大化的形状和微观结构的碳化硅粉末的新工艺。

因此，在本发明中，使用由低成本的工业水玻璃作为起始物料制备的超多孔球形二氧化硅气凝胶，通过碳热还原方法在低于常规反应温度的1,550℃以下的温度下合成碳化硅，并且提供一种制备具有低振实密度的高纯碳化硅粉末的新方法。

下文中，将参照图1中示出的流程图详细地描述根据本发明的一个实施方案的碳化硅的制备方法的各个步骤。

步骤1)

根据本发明的一个实施方案的步骤1)用于制备包含碳原料和二氧化硅原料的混合溶液。

对本发明中使用的碳原料的类型没有特别地限制，只要它是与二氧化硅混合的固体粉末状态即可，而是可以使用炭黑、十二烷、蔗糖、树脂、沥青或它们的混合物。此外，对碳原料粉末的粒径没有限制。

可以使用热固性合成树脂作为在本发明中用作碳原料的树脂，并且所述热固性合成树脂可以包括选自酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂、聚丙烯腈树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯并咪唑树脂、聚亚苯基树脂、双酚树脂、二乙烯基苯苯乙烯共聚物和纤维素中的至少一种。

另外，可以使用石油沥青或煤沥青作为在本发明中用作碳原料的沥青。

在根据本发明的实施方案的碳化硅的制备方法中，可以具体使用其中可以混合疏水性二氧化硅气凝胶的有机溶剂，如己烷、乙醇和丙酮，作为可用于混合碳原料和二氧化硅原料的溶剂。

另外，在本发明中，使用超多孔球形二氧化硅气凝胶粉末作为二氧化硅原料。其原因在于，在使用超多孔球形二氧化硅气凝胶粉末作为二氧化硅原料的情况下，相对于碳原料的反应区域增加，从而能够低温合成碳化硅，此外，通过特定制备方法制备的球形二氧化硅气凝胶粉末可以均匀地控制合成的碳化硅粉末的尺寸和形状。

所述球形二氧化硅气凝胶粉末可以通过本领域中已知的方法制备，但是，特别地，在球形二氧化硅气凝胶粉末通过包括下面的步骤a)至f)的制备方法制备的情况下，可以得到更理想的效果。

下文中，将详细描述本发明中使用的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的各个步骤。

球形二氧化硅气凝胶的制备方法

根据本发明的一个实施方案的球形二氧化硅气凝胶可以通过包括以下步骤的制备方法制备：

a)通过混合水玻璃溶液与溶剂制备二氧化硅前体溶液；

b)向所述二氧化硅前体溶液中添加表面活性剂；

c)向所述二氧化硅前体溶液中添加中和剂以形成二氧化硅溶胶；

d)向所述二氧化硅溶胶中添加胶凝剂以形成二氧化硅凝胶；

e)通过所述二氧化硅凝胶的溶剂置换和表面改性制备疏水性二氧化硅凝胶；以及

f)干燥所述疏水性二氧化硅凝胶。

步骤a)

首先，本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的步骤a)用于通过混合水玻璃溶液与溶剂制备二氧化硅前体溶液。

水玻璃溶液可以表示将蒸馏水添加到水玻璃中并混合的稀溶液，其中，水玻璃可以是作为通过使二氧化硅(sio2)和碱熔化而得到的碱式硅酸盐的硅酸钠(na2sio3)，并且可以使用浓度为28％至30％的水玻璃溶液。

将诸如三甲氧基硅烷(tmos)和四乙氧基硅烷(teos)的金属醇盐物质分散在诸如乙醇或异丙醇的溶剂中之后，通过醇盐物质的聚合和水解得到二氧化硅前体。然而，在使用tmos或teos作为二氧化硅前体的情况下，由于tmos或teos相对昂贵，因此，生产成本高，由此，经济效率和生产率会差。

因此，在本发明中，通过使用低成本的工业水玻璃作为起始物料，可以显著降低二氧化硅气凝胶的制造成本，进一步地，降低碳化硅的制造成本。

通常，由于水玻璃容易根据混合的溶剂的ph的变化而胶凝，因此，在二氧化硅气凝胶的制备中，在胶凝之前和胶凝之后可以使用不同的溶剂以稳定化。具体地，在胶凝之前，可以使用不与水玻璃反应的溶剂，并且在胶凝之后，使用的溶剂的类型可以限于适合与胶凝后形成的物质混合的溶剂。

因此，在将水玻璃溶液与溶剂混合的情况下，水玻璃溶液与溶剂彼此不反应，但是可以形成水玻璃溶液的球形液滴并且包含在二氧化硅前体溶液中。

在本发明的一个实施方案中，可以用于制备步骤a)的二氧化硅前体溶液的溶剂是不引起水玻璃的ph变化的溶剂，其中，具体地，可以使用疏水性非极性有机溶剂，例如，可以使用己烷或环戊烷。

步骤b)

接下来，本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的步骤b)用于向二氧化硅前体溶液中添加表面活性剂。

表面活性剂是通过吸附在液体的表面上提高界面处的活性并且显著改变性能的物质，其中，在本发明中，它起到防止水玻璃溶液的液滴在二氧化硅前体溶液中团聚并且使水玻璃溶液的液滴稳定的作用。

换言之，在本发明中，由于通过向二氧化硅前体溶液中添加表面活性剂使表面活性剂吸附在水玻璃溶液的表面上，因此，可以形成均匀尺寸的水玻璃溶液的液滴，并且水玻璃溶液的液滴可以均匀地分散在诸如己烷的溶剂中。

均匀分散在溶剂中的水玻璃溶液的具有1μm至1,000μm的均匀直径的液滴可以使得胶凝、溶剂置换和表面改性工艺在短时间内进行，因此，二氧化硅气凝胶制备的总工艺时间可以缩短在1小时至5小时，例如，1小时至2小时之内。本说明书中使用的表述“总工艺时间”表示进行本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的从步骤a)至步骤f)的所有步骤的时间。

因此，由于本发明可以通过显著缩短工艺时间来解决需要长久的溶剂置换和表面改性工艺的二氧化硅气凝胶的常规制备方法的限制，因此，本发明的优点在于，生产率提高从而降低产品价格，由此可以批量生产。

具体地，本发明中使用的步骤b)的表面活性剂可以是选自脱水山梨糖醇单油酸酯、脱水山梨糖醇单硬脂酸酯、脱水山梨糖醇单棕榈酸酯和脱水山梨糖醇单月桂酸酯中的至少一种，并且，例如，表面活性剂可以是脱水山梨糖醇单油酸酯(span80)。

基于二氧化硅前体溶液，表面活性剂的用量可以为3.0％至9.0％，例如，3％至7％，但是表面活性剂的范围和最佳量可以根据二氧化硅前体溶液的组成比(水玻璃:己烷)改变。在表面活性剂的用量为小于3.0％的过少量的情况下，会难以形成均匀尺寸的水玻璃溶液的液滴，并且，在表面活性剂的用量为大于9.0％的过多量的情况下，会得到小且均匀尺寸的水玻璃溶液的液滴，但是，由于液滴或制备的粒子会团聚，并且甚至在多次洗涤之后表面活性剂仍会残留，因此，表面活性剂可以以在上述范围内的量添加。

另外，将表面活性剂添加到特定步骤中的工艺顺序是最重要的。具体地，在本发明中，理想的是在制备二氧化硅溶胶之前将表面活性剂添加到包含水玻璃溶液的液滴的二氧化硅前体溶液中。

通常，由于二氧化硅溶胶的粒子具有相对高的表面活性，因此，二氧化硅溶胶具有容易发生粒子的团聚或不均匀的聚合/缩合反应的特性。例如，即使在没有催化剂的情况下在室温下静置二氧化硅溶胶，也会发生异常胶凝或异质粒子形成。如果将表面活性剂添加到具有这种特性的二氧化硅溶胶中，则可以在短时间内形成液滴，但是很难长时间地保持稳定的液滴的状态或者均匀地控制液滴的尺寸，并且在胶凝之后会需要很长时间来进行表面改性和溶剂置换。这些限制对于在实验室水平上制备少量的二氧化硅气凝胶来说并不是大的障碍，但是当将这些限制应用于大规模生产的工艺中时，无法保证最终产品的形状和性能。相反，由于水玻璃溶液是稳定的并且具有低反应性，因此，即使水玻璃溶液暴露于空气或水分，也可以稳定地保持其状态。因此，由于当将表面活性剂添加到水玻璃溶液中以形成液滴时容易恒定地控制液滴的尺寸，因此，可以容易地制备单分散液滴，并且即使液滴长时间储存以用于后续工艺，也可以稳定地保持均匀尺寸的状态。因此，表面活性剂的添加可以在形成二氧化硅溶胶之前进行。

步骤c)

接下来，本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的步骤c)用于向二氧化硅前体溶液中添加中和剂以形成二氧化硅溶胶。

基于二氧化硅前体溶液，本发明的步骤c)的中和剂的用量可以为5％至10％，例如，5％至8％。在中和剂的用量为小于5％的过少量的情况下，不能充分除去在制备之后会充当杂质的水玻璃的钠(na)离子，并且，在中和剂的用量为大于10％的过多量的情况下，由于ph改变而会发生不完全胶凝。因此，理想的是以上述范围内的量添加中和剂。

在步骤c)之后，还可以进行通过在400rpm至800rpm下搅拌形成球形二氧化硅溶胶液滴的步骤。由于随着搅拌速度的增加可以得到小且均匀尺寸的二氧化硅溶胶液滴，因此，可以将二氧化硅气凝胶的尺寸控制得很小，但是即使搅拌速度增加至大于800rpm，在增量(weight)影响方面的实际益处也不大，因此，理想的是将搅拌速度保持在上述范围内。

步骤d)

接下来，本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的步骤d)用于向二氧化硅溶胶中添加胶凝剂以形成二氧化硅凝胶。

本发明中使用的胶凝剂可以是选自氨、丙酮、乙醇和异丙醇中的至少一种。

例如，使用移液管逐滴添加水溶液形式的氨，并且通过添加氨来增加混合溶液的ph。在这种情况下，理想的是将ph调节至5至7的范围，并且，在ph超出上述范围的情况下，由于胶凝时间增加，因此，发生二氧化硅溶胶液滴的团聚。因此，会难以制备球形粉末。具体地，可以将ph调节至6至6.5的范围。在ph满足上述范围的情况下，胶凝在10分钟内终止，并且可以得到球形二氧化硅湿凝胶。

胶凝反应指由二氧化硅前体物质形成网络结构，并且所述网络结构可以指具有一种或多种类型的原子排列的任意特定多边形连接的扁平网状结构，或者通过共享特定多面体的顶点、边和面来形成三维骨架结构的结构。

另外，胶凝之后的老化步骤可以在30℃至80℃的温度范围内进行。

在老化温度低于30℃的情况下，老化不能良好地进行，并且在老化温度高于80℃的情况下，由于温度高于乙醇的沸点，因此，溶剂会蒸发。为了在凝胶中形成完整的网络结构，老化可以在30℃至80℃的温度范围内进行10分钟至24小时。

步骤e)

接下来，本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的步骤e)用于通过进行溶剂置换和添加表面改性剂使二氧化硅凝胶疏水化。

在由诸如水玻璃的二氧化硅前体制备湿凝胶之后，必须在不破坏微观结构的情况下除去湿凝胶中的液体组分。在这种情况下，湿凝胶的孔充满水，其中，如果通过随后的干燥工艺除去溶剂，则由于在液相溶剂蒸发为气相时在气/液界面处的水的高表面张力，发生孔结构的收缩和破裂。结果，在最终制备的二氧化硅气凝胶中发生比表面积的减小和孔结构的改变。因此，为了保持湿凝胶的孔结构，需要用具有相对低的表面张力的有机溶剂置换具有高的表面张力的水。

在胶凝之后可以使用亲水性极性有机溶剂，具体地，醇类溶剂，包括：一元醇，如甲醇、乙醇、异丙醇和丁醇；多元醇，如甘油、乙二醇、丙二醇、二甘醇、二丙二醇和山梨糖醇；以及它们中的两种以上的混合物作为置换溶剂，即，可以与二氧化硅凝胶混合的溶剂。具体地，在这些醇中，考虑到与水和疏水性气凝胶的可混合性，可以使用具有1至6个碳原子的一元醇类溶剂，如甲醇、乙醇、异丙醇或丁醇。

另外，干燥后的二氧化硅气凝胶在干燥后即刻保持低的热导率，但是不利之处在于，由于存在于二氧化硅表面上的亲水性硅烷醇基(si-oh)吸收空气中的水，因此热导率逐渐增加。因此，为了保持低的热导率，需要将二氧化硅气凝胶的表面改性为疏水性。

因此，在本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法中，通过添加表面改性剂的步骤将亲水性凝胶改性为疏水性凝胶，并且可以使用选自六甲基二硅烷(hmds)、六甲基二硅氧烷、乙基三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷醇、三乙基乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷(tmcs)和三乙基氯硅烷中的至少一种作为本发明的表面改性剂，但是本发明不限于此。

然而，基于二氧化硅前体溶液，表面改性剂的用量可以为5％至20％。在表面改性剂的用量小于5％的情况下，由于表面改性率会降低并且粉末的密度会增大，因此，制备的粉末的疏水性程度会显著降低。在表面改性剂的用量大于20％的情况下，由于高的表面改性率而会难以保持二氧化硅凝胶的球形形状，或者由于使用过量的表面改性剂，因此工艺成本或制造成本会显著增加。

表面改性工艺可以在室温下进行约1小时，可以重复约4至6次，并且可以在中等温度(60℃以下)下进行以提高反应速率，使得可以减少工艺时间和重复次数。

步骤f)

接下来，本发明的球形二氧化硅气凝胶的制备方法的步骤f)用于干燥疏水化后的二氧化硅凝胶。

通过在干燥之前用非极性有机溶剂洗涤表面改性后剩余的副产物并且干燥洗涤后的副产物来制备高纯球形二氧化硅气凝胶。

洗涤可以通过使用选自异丙醇、己烷、庚烷、二甲苯和环己烷中的至少一种非极性有机溶剂来具体地进行。

另外，所述干燥是常压干燥，其中，干燥可以在70℃至200℃的温度范围内进行。除了本发明的常压干燥之外，二氧化硅气凝胶可以通过超临界干燥方法或真空提取方法制备，但是，在使用超临界干燥方法的情况下，由于需要作为昂贵设备的自动高压釜并且存在高温和高压的风险，因此，由于生产成本和工艺风险，超临界干燥方法不适用于二氧化硅气凝胶的大规模生产和商业化。

在本发明中，为了解决上述限制，提供通过使用常压干燥可以使具有低密度和热导率的球形疏水二氧化硅气凝胶商业化的制备方法。

通过本发明的包括步骤a)至f)的制备方法制备的二氧化硅气凝胶可以具有均匀尺寸的球形形状、低振实密度和高比表面积，因此，加工性能和流动性优异。

本发明的球形二氧化硅气凝胶的平均粒径(d50)可以为1μm至1,000μm。在本发明中，平均粒径(d50)可以通过，例如，使用激光衍射方法或扫描电子显微镜(sem)图像来测量，并且粒子的平均粒径(d50)可以定义为在累积粒径分布的50％处的粒径。

另外，通过本发明的制备方法可以得到密度为0.05g/cm³至0.3g/cm³并且比表面积为500m²/g至900m²/g的小且均匀尺寸的球形二氧化硅气凝胶粉末。

另外，在本发明中，即使使用通过所述球形二氧化硅气凝胶的制备方法制备的球形二氧化硅气凝胶作为用于合成碳化硅的二氧化硅原料，重要的也是使用适当比例的球形二氧化硅气凝胶和碳原料以便制备具有均匀的形状和尺寸的超纯碳化硅。

因此，在根据本发明的实施方案的制备方法中，碳原料和球形二氧化硅气凝胶以0.01:1至100:1，具体地以0.5:1至50:1，更具体地以0.5:1至20:1的摩尔比混合。在碳原料和球形二氧化硅气凝胶在上述范围内混合的情况下，可以在低反应温度下更容易地制备超纯碳化硅。

步骤2)

根据本发明的一个实施方案的步骤2)涉及用于合成碳化硅的反应，其中，将混合溶液干燥并在惰性气氛中热处理。

本发明的制备方法的步骤2)的热处理温度在1,400℃至1,550℃，例如，1,450℃至1,550℃的范围内，其中，碳化硅可以在比常规acheson方法或二氧化硅碳热还原方法更低的温度下合成。这是由于使用超多孔球形二氧化硅气凝胶粉末作为二氧化硅原料的效果，其中，其原因在于，超多孔球形二氧化硅气凝胶粉末具有比常规的结晶或无定形二氧化硅更大的可以与碳原料发生反应的反应区域。

另外，在热处理温度在1,525℃至1,550℃的范围内的情况下，由于碳化硅合成反应更充分地进行，因此，二氧化硅相不残留，由此，有利的是可以制备具有相对更高纯度的碳化硅。

热处理在惰性气氛中进行，并且惰性气氛可以包括选自氩气(ar)、氮气(n2)或氦气(he)中的至少一种。

另外，本发明的制备方法可以通过在步骤2)之后进一步包括去除碳化硅的杂质的步骤来制备超纯碳化硅，并且，根据本发明的一个实施方案，可以通过在空气气氛中在约1,000℃的温度下对在步骤2)中合成的碳化硅热处理1小时至5小时来除去杂质。

通过本发明的制备方法制备的碳化硅的平均粒径可以为0.01μm至1,000μm，例如，0.1μm至100μm，并且粒径的测量方法如上面所描述。可以制备均匀的细碳化硅的原因在于使用球形二氧化硅气凝胶作为二氧化硅原料，其中，通过本发明的二氧化硅气凝胶的制备方法制备的二氧化硅气凝胶具有低振实密度和高比表面积以及均匀的尺寸、球形形状。

因此，在本发明中，由于使用超多孔球形二氧化硅气凝胶作为二氧化硅原料，因此，相对于碳原料的反应区域增加，从而能够低温合成碳化硅，并且可以均匀地控制碳化硅粉末的尺寸和形状以制备超纯碳化硅。此外，由于使用低成本的水玻璃制备二氧化硅气凝胶粒子，因此，可以提高碳化硅合成的经济效率和生产率。因此，由于预期可以提供通过本发明的制备方法制备的碳化硅粉末作为制备碳化硅烧结体和单晶(晶锭)的最佳原料，因此，可以期望在相关工业中大量使用所述碳化硅粉末。

下文中，将以本发明所属领域的普通技术人员可以容易地实施的方式详细描述本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应当理解为局限于本文中提供的实施例。

制备实施例1-球形二氧化硅气凝胶的制备

通过向水玻璃(硅酸钠，youngilchemicalcompanyco.,ltd.，二氧化硅含量：28重量％至30重量％，sio2:na2o＝3.52:1)中添加蒸馏水来制备sio2含量为7.5重量％的水玻璃溶液，然后，通过以1:1的体积比混合水玻璃溶液与己烷来制备二氧化硅前体溶液。将脱水山梨糖醇单油酸酯(span80)表面活性剂以5％的体积比添加到二氧化硅前体溶液中。之后，将作为中和剂的乙酸以10％的体积比添加到混合溶液中，并且以1:2的混合溶液:胶凝剂的体积比添加作为胶凝剂的异丙醇来制备二氧化硅凝胶。除去除了胶凝二氧化硅以外的溶剂之后，添加乙醇以进行溶剂置换，并且将作为表面改性剂的hmds以17％的体积比添加到混合溶液中，然后搅拌，并且保持约1小时。用乙醇洗涤制备的气凝胶，然后在110℃的烘箱中干燥，以制备疏水性球形二氧化硅气凝胶。

实施例1

将浓度为4重量％的炭黑添加到己烷中，将该混合物超声分散以制备均质浆料，并且以相对于添加的炭黑的2:1的摩尔比添加制备实施例1的球形二氧化硅气凝胶粉末，以制备混合溶液。将混合溶液干燥以制备其中炭黑与二氧化硅气凝胶均匀混合的粉末，并且将该粉末在惰性气氛中在1,550℃下热处理1小时以合成碳化硅粉末。

通过在空气气氛中在1,000℃下热处理合成的碳化硅粉末1小时来除去反应后残留的炭黑粉末，从而制备纯碳化硅粉末。

实施例2

除了在实施例1中以相对于炭黑的3:1的摩尔比添加二氧化硅气凝胶粉末之外，以与实施例1中相同的方式制备碳化硅粉末。

实施例3

除了在实施例2中将在惰性气氛中的热处理温度设定为1,525℃之外，以与实施例2中相同的方式制备碳化硅粉末。

实施例4

除了在实施例2中将在惰性气氛中的热处理温度设定为1,500℃之外，以与实施例2中相同的方式制备碳化硅粉末。

实施例5

除了在实施例2中将在惰性气氛中的热处理温度设定为1,475℃之外，以与实施例2中相同的方式制备碳化硅粉末。

实施例6

除了在实施例2中将在惰性气氛中的热处理温度设定为1,450℃之外，以与实施例2中相同的方式制备碳化硅粉末。

实施例7

除了在实施例1中以相对于炭黑的1:1的摩尔比添加制备实施例1的球形二氧化硅气凝胶粉末之外，以与实施例1中相同的方式制备碳化硅粉末。

比较例1(使用结晶二氧化硅粉末作为二氧化硅原料)

将浓度为4重量％的炭黑添加到己烷中，将该混合物超声分散以制备均质浆料，并且以相对于添加的炭黑的3:1的摩尔比添加结晶二氧化硅粉末，以制备混合溶液。将混合溶液干燥以制备其中炭黑与结晶二氧化硅粉末均匀混合的粉末，并且将该粉末在惰性气氛中在1,450℃至1,550℃下热处理1小时以合成碳化硅粉末。通过在空气气氛中在1,000℃下热处理合成的碳化硅粉末1小时来除去反应后残留的炭黑粉末，从而制备纯碳化硅粉末。

比较例2(使用无定形二氧化硅粉末作为二氧化硅原料)

将浓度为4重量％的炭黑添加到己烷中，将该混合物超声分散以制备均质浆料，并且以相对于添加的炭黑的3:1的摩尔比添加无定形二氧化硅粉末，以制备混合溶液。将混合溶液干燥以制备其中炭黑与无定形二氧化硅粉末均匀混合的粉末，并且将该粉末在惰性气氛中在1,525℃至1,550℃下热处理1小时以合成碳化硅粉末。通过在空气气氛中在1,000℃下热处理合成的碳化硅粉末1小时来除去反应后残留的炭黑粉末，从而制备纯碳化硅粉末。

比较例3(使用多边形二氧化硅气凝胶作为二氧化硅原料)

将浓度为4重量％的炭黑添加到己烷中，将该混合物超声分散以制备均质浆料，并且以相对于添加的炭黑的3:1的摩尔比添加多边形二氧化硅气凝胶，以制备混合溶液。将混合溶液干燥以制备其中炭黑与多边形二氧化硅气凝胶均匀混合的粉末，并且将该粉末在惰性气氛中在1,550℃下热处理1小时以合成碳化硅粉末。通过在空气气氛中在1,000℃下热处理合成的碳化硅粉末1小时来除去反应后残留的炭黑粉末，从而制备纯碳化硅粉末。

实验例1：物理性能评价

为了比较在实施例1至实施例7和比较例1至比较例3中制备的各个碳化硅粉末的物理性能，测量各个碳化硅粉末的振实密度、平均粒径和残余二氧化硅的存在，其结果列于下面的表1中。

(1)振实密度(g/cm³)

使用振实密度测试仪(jv2000,copleyscientific)测量振实密度。具体地，通过将各个碳化硅放入标准圆筒(25ml)中测量各个碳化硅的重量之后，将圆筒固定在振实密度测试仪上，关闭噪音阻尼罩，并且设置2,500次敲击。敲击测量结束之后，测量圆筒中的各个碳化硅的体积，并且通过计算先前测量的重量与体积的比例来测量密度。

(2)平均粒径(μm)

使用微粒度分析仪(ls13320mw,beckmancoulterinc.)通过激光衍射方法测量平均粒径。此外，通过使用扫描电子显微镜(fe-sem,s-4300,hitachi)确认平均粒径并且观察微观结构。

(3)残余二氧化硅的存在的确认

通过各个碳化硅粉末的xrd分析，通过二氧化硅相的峰的存在确定残余二氧化硅的存在。

[表1]

如表1中所示，对于使用球形二氧化硅气凝胶粉末作为二氧化硅原料的根据本发明的实施例1至实施例7，可以确认，即使粉末在与常规制备方法相比相对低的1,450℃至1,550℃的温度下进行热处理，也合成振实密度和粒径相对均匀的具有优异的物理性能的碳化硅粉末。

另外，在实施例1至实施例7中，对于在1,525℃至1,550℃的相对高的温度下进行热处理的实施例1至实施例3和实施例7，由于不存在二氧化硅相的峰，因此，可以确认，反应充分进行以合成具有低杂质的超纯碳化硅。

对于使用结晶二氧化硅粉末作为二氧化硅原料的比较例1，得到差的振实密度特性，并且与本发明的实施例1、实施例2和实施例7不同，由于即使在1,550℃的相对高的温度下进行热处理仍然存在二氧化硅相，因此，可以确认，合成具有相对低纯度的碳化硅。

另外，对于使用无定形二氧化硅粉末作为二氧化硅原料的比较例2，得到与本发明相似的振实密度，但是，与本发明的实施例3不同，由于即使在1,525℃的相对高的温度下进行热处理仍然存在二氧化硅相，因此，可以确认，合成具有相对低纯度的碳化硅。

另外，对于使用非球形的多边形二氧化硅气凝胶作为二氧化硅原料的比较例3，振实密度特性比本发明差，并且可以理解的是，如后面所描述的，由于形成硬质的团聚碳化硅粉末，因此需要单独的研磨工艺，因而不理想。

实验例2：xrd分析

对在实施例1至实施例7和比较例1至比较例3中制备的各个碳化硅粉末进行x射线衍射(xrd)分析，得到的图示于图2至图4中。

图2示出了根据在本发明中制备的碳化硅粉末在1,550℃下的合成过程中的球形二氧化硅气凝胶与碳原料的摩尔比(实施例1为2:1，实施例2为3:1，实施例7为1:1)的x射线衍射分析图。

如图2中所示，可以确认，本发明的制备方法可以通过甚至在与常规制备方法相比相对低的1,550℃的温度下进行热处理来合成碳化硅，并且，由于不存在二氧化硅相的峰，因此，可以确认，即使在1,550℃下反应也充分进行，从而合成具有低杂质的超纯碳化硅。

图3示出了当使用球形二氧化硅气凝胶(实施例2至实施例6)和结晶二氧化硅(比较例1)作为二氧化硅原料时，根据碳化硅合成温度的x射线衍射分析图。

如图3中所示，对于在本发明中制备的碳化硅(实施例2至实施例6)，由于在1,450℃下开始形成碳化硅相，因此，可以理解的是，碳化硅在比常规制备方法相对更低的温度下合成。此外，由于在1,525℃下不存在二氧化硅相的峰，因此，可以理解的是，可以在高于1,525℃下合成超纯碳化硅。

相反，对于使用结晶二氧化硅粉末作为二氧化硅原料的比较例1，可以确认，碳化硅仅在比本发明的温度更高的温度的高于1,500℃下合成，并且还可以确认，即使当在高于1,525℃下进行热处理时，仍然存在二氧化硅相的峰。

图4示出了当使用球形二氧化硅气凝胶(实施例2和实施例3)和无定形二氧化硅(比较例2)作为二氧化硅原料时，根据合成温度的x射线衍射分析图。

如图4中所示，对于在本发明中制备的碳化硅(实施例2和实施例3)，由于在1525℃下不存在二氧化硅相，但是，当使用无定形二氧化硅作为二氧化硅原料(比较例2)时，可以确认，碳化硅相具有更低的结晶度，并且即使在1,525℃下仍然存在二氧化硅相。

实验例3：碳化硅拍照

拍摄照片来比较在实施例2和比较例3中制备的各个碳化硅粉末的外观。

图5是当使用在本发明中制备的球形二氧化硅气凝胶(实施例2)和使用多边形二氧化硅气凝胶(比较例3)时，合成之后的碳化硅粉末的图像，其中，如图5中所示，可以确认，当使用在本发明制备的球形二氧化硅气凝胶(实施例2)时，形成软质的分散碳化硅粉末，但是当使用多边形二氧化硅气凝胶(比较例3)作为原料时，形成需要后续的研磨工艺的硬质的团聚碳化硅粉末。

实验例4：粒度分布

测量并绘制在实施例2和比较例3中制备的各个碳化硅粉末的粒度分布。

图6示出了当使用在本发明中制备的球形二氧化硅气凝胶(实施例2)和使用多边形二氧化硅气凝胶(比较例3)时，合成之后的碳化硅粉末的粒度分布图，其中，如图6中所示，可以确认，在本发明中制备的碳化硅粉末(实施例2)比使用多边形二氧化硅气凝胶(比较例3)作为原料时制备的碳化硅粉末具有更均匀的分布。

虽然已经描述本发明的示例性实施方案，但是应当理解的是，本发明不应局限于这些示例性实施方案，而是本领域普通技术人员可以在下面要求的本发明的精神和范围内进行各种改变和修改。因此，应当理解的是，已经通过说明而非限制的方式描述了本发明。