背景技术：
α-SiC片状晶体是二维生长的薄片状单晶体，呈六角形或三角形，宽度与
厚度比大于10，它的结构完整性好，其强度和模量都较高，具有很好的耐热耐
蚀性能。加入到金属基体中，可提高它们的模量和耐蚀性。α-SiC片状晶体与
普遍使用的β-SiC晶须相比，热稳定性好，能在更高的温度下使用；同时，片
状晶体对环境污染及人体的危害性小。目前，制备SiC晶体的方法主要有下述
几种：
升华法来制备α-SiC，这是由J.A.Lely在1955年首次提出的(“碳化硅高
温半导体”(I)P1～3，珥石译，上海科学技术出版社)。该方法是将装有SiC升
华原料的坩埚放在发热体中，在高温下，坩埚内的温度不一致，坩埚外侧的温
度较内部为高。因此在坩埚外侧的SiC+Si蒸汽压高于内部，在坩埚的外侧SiC
有较强的挥发和分解，而留下石墨，挥发出的蒸汽一部分透过石墨坩埚壁而逸
出，另一部分向坩埚内部流动，使内部的SiC+Si蒸汽压呈现过饱和，凝结形成
SiC晶体。实验结果可以观察到结合成的SiC坩埚外部遭受到相当大的侵蚀，形
成很多游离的石墨，而空间内出现生长在SiC壁上的透明SiC晶体，大部分晶
体呈六角锥形，一面生长良好，另一面则不规则(台阶状或圆形)。
气体裂化法生长SiC单晶体，就是用含有硅和碳的化合物(如SiCl4，C7H8，
CH3SiCl3)同时在热面上分解，沉积出碳化硅。该方法一般需要H2参与反应。
与本发明最相近的方法是由Acheson提出的反应法，即利用SiO2与C反应
合成SiC(W.F.Knippenberg，“Growth Phenomena in Silicon Carbide”，Philips.Res.
Repts.18，161～274 1963)。该实验是在Acheson炉内完成，炉子中间由石墨和碳
黑构成的芯子，通以大电流，作为发热体，反应物填充在芯子和炉壁之间。所
用原料为：40％碳黑，50％SiO2，7％的锯末，3％盐。从1500℃开始，到1800℃
完成反应，加热到2000℃以上，产物重新结晶，生成大块
SiC。因为炉内的温度不均匀，炉子最外层的填料只起隔热作用，而未参与反应。
除了上面介绍的几种主要生长SiC单晶体方法，还有溶液法，外延生长法，
CVD法等，由于这些方法大多在低温下进行，制得的晶体多为β型，且晶体形
状与用本发明提供的方法制备的片状晶体相差很远，这里就不再述及。
发明内容：
为了获得较优的制备α-SiC片状晶体的途径，本发明提供了一种制造α-SiC
片状晶体的方法，采用SiO2和C混合加热，在高温下反应来制备α-SiC片状晶
体，其特征在于：
先将C粉和SiO2粉按摩尔比(1～3)：1混合，进行球磨1.0～2.5小时和
干燥，然后在1400℃～2000℃下，优选在1550℃～1650℃下，保温1～7小时，合
成β-SiC晶须；再利用制得的晶须，加入适当比例的SiO2粉、C粉和片状晶体
助生长剂含铝化合物，重量配比为，β-SiC晶须10～30％，C粉20～30％，SiO2
粉40～50％，助生长剂含铝化合物0.01～3％，进行球磨1～2小时，然后在1900
℃～2250℃，优选为2080℃～2120℃，保温1～3小时，合成所需的α-SiC片状
晶体，最后进行分离和净化。
原料中，C与SiO2的配比量，理想情况下摩尔比为(2～3)∶1，优选为(2.8～
3.0)∶1，但在第一步制备晶须时，应加大C的含量。高纯石墨作为C原料制得的
α-SiC片状晶体最好。Al作为片状晶体助生长剂，能提高产物的产率，添加量
(Al2O3)以2.0％～3.0％为最佳.
球磨是在行星磨上进行，球磨罐为聚氯乙烯材料，磨球为刚玉球，选用酒
精为球磨介质，球磨时间为1小时以上，优选为1.5～2.5h。
合成β-SiC晶须后可将晶须脱碳，脱碳是于空气中加热到700℃以上优选为
750℃～850℃，保持30～60分钟。为使脱碳充分可通入少量O2气。
在制备β-SiC和α-SiC片状晶体时，为了保护系统不被氧化，通入高纯Ar
保护
采用本发明提供的制备方法获得的片状晶体比原先的一步法制备的片状晶
体更均匀，分散性更好.
具体实施方式：
本发明α-SiC片状晶体制备方法实施例中采用的原料选自：
99.9％石墨粉，99.9％热解碳，99.85无定型碳，99.5％气凝SiO2，99.5％沉降
SiO2，化学纯SiO2，分析纯Al2O3，92.5％β-SiC颗粒.
加热和反应过程在图1所示真空碳管炉中进行。一般的真空碳管炉的冷态
真空度为5×10-5mmHg，热态真空度为5×10-4mmHg，额定工作温度为2000℃，
为了达到本工艺所要求的高温条件，对该炉子进行如下改造：(1)加厚保温层，
减少热散失；(2)在保证功率匹配的条件下减小发热体(见图1)的尺寸：A＝380～
420mm、B＝280～320mm和C＝φ80～120mm，使高温区更集中。改造后，炉子
的工作区温度可达2300℃，短时间能到2400℃。在2300℃下，保温1小时，炉
外壳的温度为80℃。温升可达2200℃/1小时。
实施例1：采用一步法制备α-SiC片状晶体
原料采用气凝SiO2和热解碳粉，重量比为2.2∶1，另外添加3％的Al2O3作
为片状晶助生长剂，以30℃/min升温到2200℃，保温2h后，随炉降温.通Ar，0.2
l/min。制得的α-SiC片晶呈现六角形或三角形透明薄片状，厚度5～10μm，对
边长50～100μm。片状晶的大小不均，且连生、共生现象多，分散性差。原因
是：一步法生长的晶体，晶体形核不均匀，在反应炉中，适宜于晶体形核和生
长的位置，晶体生长就快，并且在整个生长过程中都保持了这种优势，使得片
晶大小不均；同时晶体的形核很可能发生在同一个碳颗粒上，随着晶体长大，
势必相连共生在一起。
实施例2：采用两步法制备α-SiC片晶
首先制备β-SiC晶须，原料配比为热解碳与气凝SiO2重量比2∶1，以30℃
/min的速度升温到1600℃，保温4h，随炉降温.Ar通入量0.24l/min，装料密度约
为0.2g/cm3。
制备α-SiC片状晶体时，用制得的β-SiC与SiO2粉、C粉混合，再加上Al2O3
作为片状晶体助生长剂，球磨2h，使混合均匀，配方(重量比)为β-SiC(2.3)+气
凝SiO2(6.6)+热解C(3)+Al2O3(0.3)，升温速度为30℃/min，到2200℃保温2h
后，随炉降温.通Ar，0.2l/min。
两步法制备的片晶与一步法(实施例1)制备的相比，分散性和均匀性更好。
在两步法制备过程中，人为的改变了炉内的晶体生长和形核情况，消除了优势
生长和晶核团聚的现象。
实施例3采用两步法制备α-SiC片晶
制备β-SiC晶须的温度为1500℃，其他同实施例2。结果发现由于反应温
度低，有未反应的SiO2存在。
实施例4采用两步法制备α-SiC片晶
制备β-SiC晶须的原料配比为热解碳粉与分析纯SiO2重量比2∶1，以30℃
/min的速度升温到1600℃，保温5h，随炉降温.Ar通入量0.24l/min，装料密度约
为0.2g/cm3。
制备α-SiC片状晶体时，用制得的β-SiC与SiO2粉、C粉混合，再加上Al2O3
作为片状晶体助生长剂，球磨2h，使混合均匀，配方(重量比)为β-SiC(2.3)+
分析纯SiO2(6.6)+热解C(3)+Al2O3(0.3)，升温速度为30℃/min，到2200℃保温
2h后，随炉降温，通Ar，0.2l/min。
结果表明，采用粒度比气凝SiO2大，活性差的分析纯SiO2作为原料，对
α-SiC片状晶的制备没有太大的影响，原因是各种不同的SiO2都以SiO(气态)的
形式参与反应，与初始的粒度和活性无关。
实施例5采用两步法制备α-SiC片晶
制备β-SiC晶须的原料配比为热解碳与气凝SiO2重量比2∶1，以30℃/min
的速度升温到1600℃，保温4h，随炉降温.Ar通入量0.24l/min，装料密度约为
0.2g/cm3。
将制得的产物放在石英管中，加热到750℃～850℃，保温60分钟，同时通
O2，0.1l/min，进行脱碳处理。
制备α-SiC片状晶体时，用制得的β-SiC与SiO2粉、C粉混合，再加上Al2O3
作为片状晶体助生长剂，球磨2h，使混合均匀，配方(重量比)为：β-SiC(4)+分
析纯SiO2(11)+热解C(5)+Al2O3(0.5)，升温速度为30℃/min，到2200℃保
温2h后随炉降温，通Ar，0.2l/min。
结果与实施例2比较，片状晶的分散性较好，形状较规则。经脱碳处理后，
减少了仔晶的相互粘连，使片晶生长更完整。
实施例6
将实施例5中的热解C换成普通碳黑，其余成分、配方和制备工艺相同。
结果表明，由于普通碳黑的化学活性比热解碳低，在与Si反应生成SiC时，
反应速度慢，致使收得率低。
实施例7
将实施例5中的Al2O3含量由0.5g减少为0.1g，其余成分、配方和制备工艺
相同。
结果表明，Al2O3的含量减少，产物中颗粒状SiC比例增加，片状SiC比例
减少，并且片状晶体的横纵比减小。实验证明片晶助生长剂的理想含量为2～3
％。
实施例8
将实施例5中的第二步反应温度由2200℃降低为2000℃，其余成分、配方
和工艺参数不变。
结果表明，制备温度降低，则片状晶的转化率降低，产物中残留β-SiC，α-SiC
片状晶的晶型多为低温稳定型2H，4H，6H等，而温度升高，晶型相应转变为
高温稳定型6H，15R等，理想的反应温度为2080～2120℃。
实施例9
采用市售β-SiC颗粒(10μm)作为子晶，替代本发明第一步制得的β-SiC
与SiO2粉、C粉混合，再加上Al2O3作为片状晶体助生长剂，球磨2h，使混合均
匀，配方(重量比)为：β-SiC(5)+分析SiO2(10)+热解石墨C(5)+Al2O3(0.2)，
升温速度为30℃/min，到2080℃保温3h后随炉降温，通Ar，0.2l/min。
结果表明，采用市售β-SiC颗粒作为子晶，能起到与自制β-SiC相同的作
用，片状晶的形貌和分散性差别不大。但采用的β-SiC颗粒应在10(m以下。