一种改性多孔石墨及其制备方法和应用

本发明涉及多孔石墨制备，尤其涉及一种改性多孔石墨及其制备方法和应用。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、第三代半导体材料由于其高禁带宽度、高击穿电压、高电导率等优势，在未来将广泛应用于新能源汽车、微波通讯、国防军工等重要领域。目前物理气相传输法(pvt)生长的碳化硅单晶作为最成熟且具代表性的新一代半导体产品，成为了产业化的主要目标。pvt法单晶生长过程中，石墨坩埚中通过放置多孔石墨进行原料的过滤筛分，纯化单晶生长气氛，能起到有效降低晶体微管、包裹体等晶体缺陷，提高晶体质量，降低产业生产成本的目的。

3、多孔石墨的孔径分布会对pvt法单晶生长过程产生影响，不仅影响碳化硅单晶的生产效率，还会影响单晶的生长质量。专利cn 116120079b(授权公告日：2020.10.13)公开了一种物理气相传输法生长碳化硅晶体用多孔石墨隔板制造方法，该专利发现采用氯化铵溶液浸泡处理直径约20-40μm、长度15-25mm丝光棉短纤维为原料制备的多孔石墨平均孔径适中且孔径分布窄，开口气孔率及强度高，适合于制作pvt生长碳化硅单晶隔板，有利于气相物质的控制传输；而不采用丝光棉短纤维作为模板的多孔石墨孔径分布不均匀。该专利的原料中额外引入了丝光棉作为模板，添加量较高，其属于高品质针织面料，因此该制备工艺的成本较高。

4、因此，如何提供一种制备过程简单、成本低且产品杂质含量低、气孔率高、孔径分布均匀的物理气相传输法生长碳化硅晶体用多孔改性石墨是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种改性多孔石墨及其制备方法和应用，该改性多孔石墨制备过程简单，且得到的改性多孔石墨成分均匀、孔径有序排布、透过率高、耐高温耐腐蚀性能好、杂质含量低、气孔率高。

2、第一方面，本发明提供了一种改性多孔石墨的制备方法，包括如下步骤：

3、原料焦经粉碎分级混合后与粘结剂、造孔剂混合球化造粒，混合球化造粒时间为0.5～2h，造粒大小为0.5～0.8mm；原料焦、粘结剂和造孔剂的质量比为65～70:20～30:5～20；然后经压制、焙烧、高温石墨化，即得。

4、优选的，所述原料焦包括生石油焦、沥青焦或冶金焦中的一种。原料焦选用上述几种物质，含碳量高，有利于后期的焙烧和高温石墨化过程，为改性多孔石墨的主体材料。

5、优选的，所述粘结剂包括酚醛树脂、环氧树脂、石墨胶或石油沥青中的一种。粘结剂有以下两个作用：一是在200～500℃熔化将原料焦进行粘接，提升产品强度；二是能够在高温下分解起到增碳作用，提升产品密度。

6、优选的，所述造孔剂包括聚乙烯吡咯烷酮、氯化钾、丁苯橡胶、葡萄糖或聚氯乙烯中的一种或多种。上述几种造孔剂能够在高温焙烧阶段完全分解，在产品中打通孔道，增加产品内部孔道数量，提升气孔率。

7、优选的，所述粉碎分级步骤具体为：将原料焦粉碎后，按40～80目和80～300目两级原料以质量比为20～30：70～80进行混合。粉碎分级是为了能够通过搭配不同粒径原料焦实现对产品通孔直径和产品密度的协调控制。

8、优选的，所述与粘结剂、造孔剂混合球化造粒采用的设备为混合造粒机。通过球化造粒将混合料形貌进行修饰，球化颗粒在空间堆积上更为均匀，压制焙烧后，样品孔道形貌完整平滑，孔径大小及面型分布均匀。

9、优选的，所述压制的压力为15～30mpa，时间为0.5～1h。压制采用的设备包括热挤压机、热模压机或热等静压机中的一种。

10、优选的，所述焙烧过程为梯度焙烧，具体为：以2～5℃/min的升温速率升温至200～400℃，焙烧24～36h；然后以2～5℃/min的升温速率升温至500～700℃，焙烧18～24h；最后以2～5℃/min的升温速率升温至900～1100℃，焙烧24-150h。

11、优选的，所述高温石墨化的温度为2300℃，高温石墨化的时间为20～40h。

12、进一步的，所述高温石墨化过程中通入纯化气体，所述纯化气体包括氯气和/或氟利昂。

13、第二方面，本发明提供了上述制备方法制备得到的改性多孔石墨，所述改性多孔石墨的体积密度在1.3g/cm3以下，气孔率在48％以上，抗弯强度在10mpa以上，杂质含量在5ppm以下。

14、第三方面，本发明提供了上述改性多孔石墨在物理气相传输法生长碳化硅单晶中的应用。

15、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

16、本发明提供的制备方法过程简单、环保、成本低，制备得到的产品内部孔道形状平滑，过滤气路通畅，渗透率达100％，气孔率在48％以上，体积密度在1.3g/cm3以下；所制备得到的改性多孔石墨适用于物理气相传输法生长高质量碳化硅单晶。

技术特征：

1.一种改性多孔石墨的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原料焦包括生石油焦、沥青焦或冶金焦中的一种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂包括酚醛树脂、环氧树脂、石墨胶或石油沥青中的一种；所述造孔剂包括聚乙烯吡咯烷酮、氯化钾、丁苯橡胶、葡萄糖或聚氯乙烯中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉碎分级步骤具体为：将原料焦粉碎后，按40～80目和80～300目两级原料以质量比为20～30：70～80进行混合。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述与粘结剂、造孔剂混合球化造粒采用的设备为混合造粒机。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为15～30mpa，时间为0.5～1h；所述压制采用的设备包括热挤压机、热模压机或热等静压机中的一种。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧过程为梯度焙烧，具体为：以2～5℃/min的升温速率升温至200～400℃，焙烧24～36h；然后以2～5℃/min的升温速率升温至500～700℃，焙烧18～24h；最后以2～5℃/min的升温速率升温至900～1100℃，焙烧24-150h。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温石墨化的温度为2300℃，高温石墨化的时间为20～40h；所述高温石墨化过程中通入纯化气体，所述纯化气体包括氯气和/或氟利昂。

9.如权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的改性多孔石墨，其特征在于，所述改性多孔石墨的体积密度在1.3g/cm3以下，气孔率在48％以上，抗弯强度在10mpa以上，杂质含量在5ppm以下。

10.如权利要求9所述的改性多孔石墨在物理气相传输法生长碳化硅单晶中的应用。

技术总结本发明公开了一种改性多孔石墨及其制备方法和应用，属于多孔石墨制备技术领域。所述改性多孔石墨的制备方法包括如下步骤：原料焦经粉碎分级混合后与粘结剂、造孔剂混合球化造粒，混合球化造粒时间为0.5～2h，造粒大小为0.5～0.8mm；原料焦、粘结剂和造孔剂的质量比为65～70:20～30:5～20；然后经压制、焙烧、高温石墨化，即得。改性多孔石墨制备过程简单，且得到的改性多孔石墨成分均匀、孔径有序排布、透过率高、杂质少、气孔率高，而且所需原料来源广且便宜易得。技术研发人员：张建,王丽焕,徐现刚受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16