WO2025219273A1 - Method for producing silicon carbide, and silicon carbide - Google Patents
Method for producing silicon carbide, and silicon carbideInfo
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- WO2025219273A1 WO2025219273A1 PCT/EP2025/060095 EP2025060095W WO2025219273A1 WO 2025219273 A1 WO2025219273 A1 WO 2025219273A1 EP 2025060095 W EP2025060095 W EP 2025060095W WO 2025219273 A1 WO2025219273 A1 WO 2025219273A1
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Definitions
- the invention relates to the fields of materials management, material synthesis and technical ceramics and concerns a process for producing silicon carbide (SiC), in particular raw SiC, which can be used, for example, for producing refractory ceramics for linings in waste incineration plants or in industrial furnaces.
- SiC silicon carbide
- Silicon carbide is a synthetic industrial mineral used in many industries due to its outstanding properties (hardness, high-temperature properties, chemical resistance). Its use in the form of special, highly pure, and narrowly fractionated fine powder grains (0.5 to approximately 250 pm) is particularly important in microelectronics/photovoltaics (wafer sawing), for the production of ballistic protective ceramics for military technology, and in automotive/environmental technology (diesel particulate filters). Its coarser form (2 pm to 2000 pm) is also used as an abrasive material for high-quality surface finishing throughout mechanical engineering.
- SiC powder granules are produced from special raw SiC through grinding, purification, and fractionation. This process results in high and consistent amounts of low-quality, poorly recyclable SiC.
- crude SiC has been produced using an electrosynthesis process, the so-called Acheson process (DE 76629 A, DE 85197 A, EG Acheson, Carborundum: Its history, manufacture and uses, J. of the Franklin Institute, Vol. 136, Issue 3, 1893, pp. 194-203, ISSN 0016-0032).
- Acheson process DE 76629 A, DE 85197 A, EG Acheson, Carborundum: Its history, manufacture and uses, J. of the Franklin Institute, Vol. 136, Issue 3, 1893, pp. 194-203, ISSN 0016-0032
- Quartz sand is typically used as the starting material for SiC>2
- petroleum coke is typically used as the starting material for carbon.
- this manufacturing process based on the Acheson process, requires high energy input and is therefore tied to the price of electricity and oil (petrol coke as the raw material). It also generates high levels of dust, CO2, and SO2 emissions, which incur additional costs.
- US Pat. No. 2,178,773 A discloses the production of SiC by moving a SiC>2-C mixture through an inductively heated furnace.
- a briquetted mixture is used, or the mixture is processed in a furnace in refractory containers. Only partially reacted mixtures at lower temperatures can be further reacted with additional heat treatment.
- a raw material mixture for SiC in interconnected containers, which together form a tube is passed through a tube furnace at a temperature of at least 1800 °C.
- WO 95/33683 A also describes a two-step process for producing alpha-SiC, using approximately stoichiometric ratios of SiO2 and carbon.
- the mixture, in pellet form, is converted to almost 100% ß-SiC at temperatures in the range of 1500-1800°C in a continuously operating rotary kiln. This is then converted to alpha-SiC in a second, conventional discontinuous heat treatment between 1800 and 2300°C.
- a process for producing ß-silicon carbide in which very fine carbon-containing powder and very fine silicon dioxide powder are reacted at a temperature of up to 1650 °C in an inert atmosphere, wherein the reaction mixture is conveyed by a screw conveyor through a low-temperature zone, then through a high-temperature zone up to a maximum of 1650 °C and again through a low-temperature zone and this cycle is repeated until the conversion into ß-silicon carbide is complete.
- the object of the present invention is to provide a process for producing silicon carbide and silicon carbide in which crude silicon carbide is produced in one production process with high conversion rates and a high yield.
- silicon and carbon-containing starting powders with particle sizes having a dgs value of up to 1.6 mm are mixed in a Si:C ratio of 37:63 to 50:50 wt.% and filled into at least one first refractory container, wherein a bulk porosity of the mixture is set between 0.3 and 0.6 in the first container, and subsequently the container with the mixture is heat-treated at temperatures of 1400 to 1650 °C under vacuum or oxygen-free atmosphere, then the SiC reaction mixture is cooled, homogenized and analyzed with regard to its free carbon content, depending on the analysis result to achieve a substantially stoichiometric composition of the homogenized SiC reaction mixture, silicon and/or carbon-containing powders are added and subsequently this mixture is at least one second refractory container and a bulk porosity of this mixture between 0.5 and 0.7 in the second container is set, and then the second container filled
- powders made of and/or with predominantly SiO2 and/or Si particles are used as silicon-containing starting powders.
- carbon-containing starting powders are powders made from soot, graphite, coal, particularly in the form of anthracite, coke, such as petroleum coke, pitch coke, coke from lignite or hard coal, recycled carbon, such as so-called thermolysis coke or recovered soot (rCB - recovered carbon black), biochar from wood gasification, or carbon from methane pyrolysis.
- the starting powders are advantageously used in a Si : C ratio of 42 : 58 to 44 : 56 mass %.
- the starting powders are used with particle sizes with a dgs value of 100 pm to 1.6 mm, advantageously from 500 pm to 1000 pm.
- a bulk porosity of this mixture is set between 0.55 and 0.68 in the second container.
- first and second fireproof containers made of graphite and/or carbon fiber reinforced carbon (CFC) are used.
- first fireproof containers with a filling volume of up to 100 liters and second fireproof containers with a filling volume of up to 20 liters are used.
- first and second refractory containers are filled with the respective mixtures.
- first and/or at least the second refractory container(s) are continuously passed through a continuous furnace one after the other and are heat-treated in the process.
- the heat treatment of the at least one first refractory container with the mixture is carried out at temperatures between 1560 and 1650 °C
- the heat treatment of the at least one second refractory container with the reaction mixture from the at least one first refractory container with additives for realizing a stoichiometric mixture is carried out at temperatures between 2050 and 2350 °C.
- the silicon carbide according to the invention with a SiC content of more than 98 to 99.95 wt. % is produced by the process according to the invention and has a predominant content of isometric and/or congruent SiC particles in predominantly cubic particle shape with an average roundness of 0.5 to 0.8 and essentially convex surfaces and no plate-like portions, wherein the SiC particles are essentially isolated and have no or essentially no closed porosity and a bulk density of the silicon carbide of at least 3.05 g/cm 3 is present.
- particles are present as isometric and/or congruent SiC particles which have a ratio of dimensions in all spatial directions of > 0.5 to 1.
- SiC particles with a predominantly cubic particle shape with convex surfaces and no plate-like portions, which have an average roundness of 0.65 to 0.78.
- the silicon carbide has a bulk density of 3.10 g/cm 3 , advantageously of 3.18 g/cm 3 .
- silicon-containing starting powders are powders made of and/or containing predominantly SiO2 and/or Si particles. Quartz sands are advantageously used as SiO2 powders.
- the Si content is 100 mass%.
- the Si content is at least 90 wt.%.
- Typical impurities in metallurgical silicon are iron, aluminum, and calcium.
- Other powders containing silicon particles are produced during the recycling of solar cells and during the grinding of single-crystal scrap from the semiconductor industry.
- Carbon-containing starting powders which are advantageously used are powders made from soot, graphite, coal, particularly in the form of anthracite, coke, such as petroleum coke, pitch coke, coke from lignite or hard coal, recycled carbon, such as so-called thermolysis coke or recovered soot (rCB - recovered carbon black), biochar from wood gasification, or carbon from methane pyrolysis.
- the carbon-containing starting powders advantageously have a carbon content of at least 85 mass% carbon, more advantageously at least 90 mass% carbon, even more advantageously at least 95 mass%.
- the starting powders are also advantageously used in a mixing ratio of Si : C of 42 : 58 to 44 : 56 mass %.
- the silicon-containing starting powder used predominantly consists of SiCl particles, with only a minor proportion of Si-containing starting powder. Mixtures with a proportion of > 50 wt.% SiCl>2 are particularly preferred, and even more preferably > 80 wt.%.
- the mixing of the silicon and carbon-containing starting powders is carried out, for example, using stirrers or in a mill.
- the starting powders have particle sizes with a dgs value of 100 pm up to 1.6 mm, advantageously from 500 pm to 1000 pm.
- These particle size values indicate the upper limit of the particle size distribution (D95), at which 95% of the particles in the powder have a particle size up to the upper limit.
- Such particle size distributions are technically realized, for example, by sieving or classifying the starting powder.
- the starting powders have particle sizes of 150 pm to 1.2 mm, advantageously from 200 pm to 650 pm.
- very fine particles with particle sizes ⁇ 45 pm may also be present in the starting powders according to the invention, but it is also advantageous that this content of very fine particles in the starting powders is low, since this proportion of very fine particles is unfavorable for the safe handling of the powders during transport, mixing and filling.
- the particle sizes of silicon-containing starting powders and carbon-containing starting powders can differ, i.e. coarser carbon-containing starting powders can be mixed with finer silicon-containing starting powders or vice versa.
- finer silicon-containing starting powders are used and mixed over the carbon-containing starting powders.
- Even coarser particles of the silicon-containing and/or carbon-containing starting powders with a size of >1.6 mm may also be present in isolated cases, up to a maximum of 5% of the particles in the starting powders, but this slows down the reaction of the particles to SiC and the content of unreacted SiC>2 or carbon in the SiC increases unfavorably.
- the mixture of starting powders is then poured into at least one first refractory container.
- the at least one first and/or at least one second refractory container consists of graphite and/or carbon fiber reinforced carbon (CFC).
- CFC carbon fiber reinforced carbon
- other materials such as silicon carbide ceramics or CFC containers with a SiC coating, can also be used as container materials.
- the at least one first refractory container consists of carbon-, nitride- or reaction-bonded SiC, while recrystallized SiC can be used for the at least one second refractory container.
- the mixture of starting powders in the at least one first refractory container has a bulk porosity of 0.3 to 0.6, advantageously of 0.32 to 0.45, even more advantageously of 0.35 to 0.4.
- the aggregate porosity is defined as
- the pure density of the mixture can be determined mathematically or experimentally using gas pycnometry if the density of the starting materials and their proportions is known.
- the mass of the mixture can be easily determined by weighing.
- the volume of the containers can be easily determined by calculation for simple container geometries or by filling with liquid and measuring the volume of the liquid for unclear container geometries.
- the containers can be provided with fill level markings to ensure that the same volume of mixture is always added to the containers.
- the container is heat-treated with the mixture at temperatures ranging from 1400 to 1650 °C under vacuum or in an oxygen-free atmosphere.
- Technical protective gas atmospheres such as argon or nitrogen are used as the oxygen-free atmosphere.
- the heat treatment of the at least one first refractory container with the mixture of starting powders takes place at temperatures between 1560 and 1650 °C.
- the heat treatment can advantageously be carried out in a continuous furnace. It is also advantageous if a plurality of first refractory containers are filled with the mixtures of starting powders and are continuously passed through a continuous furnace, where they are heat-treated.
- the container After heat treatment of the mixture in the at least one first refractory container, the container is cooled, resulting in a reaction mixture that has already been predominantly converted to SiC.
- the SiC content of the SiC reaction mixture is essentially still ⁇ 98 mass%, and there are still portions of Si and C in the reaction mixture that have not yet been converted or have reacted with each other.
- the chemical composition is then analyzed according to the invention.
- the analysis of the SiC content is determined using the method according to FEPA Standard 45-1:2011.
- the impurities can be differentiated using known analytical methods, for example Cfree, Sifree, SiO 2 and iron according to DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and FEPA Standard 45-1:2011. Spectroscopic methods can also be used for the Analysis of impurities can be applied, for example according to the procedure of DIN EN 15991:2024.
- the chemical analysis of the homogenized SiC reaction mixture is intended to determine the free carbon content (Cf re i) using the specified analytical methods.
- Silicon and/or carbon-containing powders advantageously those powders which are also used as starting powders, are added in order to realize a stoichiometric composition of the SiC reaction mixture for filling the at least one second container.
- the SiC reaction mixture with the additions of silicon- and/or carbon-containing powders for a stoichiometric composition is filled into the at least one second refractory container and a bulk porosity of this mixture is set between 0.5 and 0.7, advantageously between 0.55 and 0.68, in the second container.
- the determination and adjustment of the aggregate porosity is carried out according to the same formulas and with the same procedures as for the aggregate porosity in the at least one first refractory container.
- the at least one second refractory container thus filled is heat-treated at temperatures of 1850 to 2500 °C under vacuum or in an oxygen-free atmosphere.
- Technical protective gas atmospheres such as argon or nitrogen, are used as the oxygen-free atmosphere.
- the heat treatment of the at least one second refractory container with the mixture of starting powders takes place at temperatures between 2050 and 2350 °C.
- the heat treatment can advantageously be carried out in a continuous furnace. It is also advantageous if a plurality of second refractory containers are filled with the SiC reaction mixtures with the additives required to achieve the stoichiometric composition and are continuously passed through a continuous furnace, where they are heat-treated.
- the heat treatment of the at least one first and at least one second refractory container with the respective mixtures can be carried out in one furnace one after the other or in two different furnaces.
- the resulting raw SiC is cooled and can be further processed.
- the adjustment of the aggregate porosity mentioned according to the invention in the refractory containers both of the starting powder mixture in the at least one first refractory container and of the SiC reaction mixture with the additives for realizing a stoichiometric mixture in the at least one second refractory container is realized by filling the mixtures and by a mechanical treatment of the aggregate, for example by vibrating, indenting, pressing, tamping or by a combination of such mechanical treatments, such as vibratory pressing.
- the invention expressly does not envisage forming the mixtures into any molded parts before filling the containers, thereby filling the containers.
- the resulting compaction prevents the desired aggregate porosity from being achieved, thus preventing the desired high conversion rates and yields of crude SiC from being achieved.
- the present invention expressly does not provide for the necessary aggregate porosity to be achieved by the addition of auxiliary materials such as binders or other burnout materials.
- the aggregate porosity also depends on the particle size distribution of the starting powder.
- the particle size distribution can also be varied within the limits specified in the invention to achieve the aggregate porosity according to the invention. This can be determined using simple test series.
- the aggregate porosity depends not only on the mechanical treatment of the aggregate but also on the particle size distribution of the SiC particles achieved in the first process step, their degree of agglomeration, and the quantity and particle size of the admixtures.
- the aggregate porosity according to the invention can be determined and adjusted through simple test series.
- first refractory containers as second refractory containers, i.e. after emptying the first refractory containers from the first heat treatment, the SiC reaction mixture with the determined additives can be refilled into these refractory containers for the second heat treatment and then heat treated.
- different containers with different geometries are used for the first refractory container and the second refractory container.
- the first fireproof container has a filling volume of up to a maximum of 100 liters and the second fireproof container has a filling volume of up to a maximum of 20 liters.
- the mixture filled into the first refractory container is covered with a layer of carbon-containing powder.
- the enrichment of carbon in a covering layer on the heap in the first refractory container promotes the conversion to SiC, since, for example, escaping vaporous Si and/or SiO can react with the carbon of the covering layer to form SiC and does not enter the atmosphere outside the container.
- the carbon in the cover layer is part of the total carbon content in the mixture in the first container and amounts to a maximum of 5 mass% thereof.
- the aggregate porosity data in the first container refer to the aggregate without the thin carbon top layer.
- the amount of carbon in the top layer must be taken into account by adding the amount of carbon in the top layer to the total amount of carbon in the mixture.
- the process according to the invention produces silicon carbide with an SiC content of more than 98 to 99.95 mass %.
- This raw SiC is further processed into SiC powder, which can then be used, for example, to produce SiC ceramics.
- % has a predominant content of isometric and/or congruent SiC particles in predominantly cubic particle shape with an average roundness of 0.5 to 0.8 and essentially convex surfaces and no plate-like portions, wherein the SiC particles are essentially isolated and have no or essentially no closed porosity and a bulk density of the silicon carbide of at least 3.05 g/cm 3 is present.
- the silicon carbide according to the invention is a raw SiC, which is further processed into SiC powder.
- SiC particles are present as isometric and/or congruent SiC particles which have a ratio of dimensions in all spatial directions of > 0.5 to 1.
- isometric particle size, congruent particle shape and roundness can be carried out according to DIN-ISO 13322-1:2014-5 Parts 1 and 2 (static and dynamic analysis) or determined in accordance with DIN-ISO 14688-1:2020-11.
- the SiC particles of the silicon carbide according to the invention have a predominantly cubic particle shape with convex surfaces and no plate-like portions and show an average roundness of 0.65 to 0.78.
- the SiC particles according to the invention are rounded, semi-rounded and edge-rounded and have essentially convex surfaces.
- the silicon carbide has a bulk density of 3.10 g/cm 3 , even more advantageously of 3.18 g/cm 3 .
- the bulk density can be determined using the well-known method of gas pycnometry.
- the porosity of the silicon carbide according to the invention can be determined from the bulk density in relation to the theoretical density of the silicon carbide Bulk density
- the theoretical density of silicon carbide is usually assumed to be 3.21 g/cm 3 .
- the bulk density of the silicon carbide according to the invention is therefore at least 3.05 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of ⁇ 5 vol.%, advantageously at least 3.10 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of ⁇ 3.5 vol.%, even more advantageously at least 3.18 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of ⁇ 1 vol.%.
- the silicon carbide according to the invention exhibits highly isometric and/or congruent, i.e., very uniform and consistent, SiC particles in terms of shape and size.
- a further feature of the silicon carbide according to the invention is that the SiC particles are only slightly intergrown, with no or essentially no conglomerates present.
- the SiC particles of the silicon carbide according to the invention show no or only very slight closed porosity.
- the silicon carbide according to the invention can be produced by the process according to the invention for producing silicon carbide.
- X-ray analysis of the silicon carbide according to the invention shows that the SiC consists of 100% alpha polytypes, predominantly of the 6H, 4H, and 15R variants. Furthermore, the crystallite size of the particles is very uniform, meaning the average crystallite size deviates from the mean by only approximately +/- 20%.
- the mean value itself depends on the manufacturing conditions, for example, the temperature, the holding time, and the protective gas atmosphere of the second heat treatment. High temperatures and long holding times lead to a coarser powder, and an argon atmosphere also produces coarser powders than a nitrogen atmosphere.
- the silicon carbide according to the invention and produced according to the invention differs from the raw SiC produced by the known Acheson process on the one hand by very high SiC contents of more than 98 mass% and on the other hand the silicon carbide according to the invention and produced according to the invention has very uniform properties, such as the fact that the silicon carbide consists almost exclusively or exclusively of alpha polytypes and has a very uniform crystallite size of the SiC particles.
- the silicon carbide according to the invention and produced according to the invention also differs from the high-purity silicon carbides produced by known processes, which have contents of more than 99.95 mass% SiC, essentially by an even higher purity.
- the raw SiC from the Acheson manufacturing process is known to show very non-uniform properties with regard to SiC content, polytype content, particle size and particle shape within a furnace batch, when viewed over the entire batch process.
- SiC crushed from the inner zone of a furnace charge using the Acheson process can also exhibit SiC contents of more than 98 wt. %, but this SiC material is highly irregular in terms of particle size and shape. Very large, platelet-shaped and sharp-edged crystals up to 20 mm in size can occur, alongside very small ( ⁇ 200 pm), highly intergrown, and irregular platelet-shaped or even columnar crystals. These intergrowths are so strong that the crystallites also enclose pores and can only be crushed by the application of strong mechanical forces, resulting in a highly irregular and splintery particle shape in the resulting powder.
- the bulk density of the coarsely broken raw SiC with a particle size between 1 and 3 mm from the Acheson process, measured by gas pycnometry is far from the true density of SiC of 3.21 g/cm 3 and usually shows values for the bulk density of less than or equal to 2.97 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of 7.5 vol.-%, or even only 2.59 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of 19 vol.% (EHP Wecht, Feuerfest-Siliconcarbid, Applied Mineralogy Vol 11 , Springer-Verlag 1977, p. 41 and p. 246 ISBN 978-3-7091-7069-4).
- the properties of the silicon carbide according to the invention arise from the fact that, during the production according to the invention, in particular the adjustment of the aggregate porosity according to the invention prevents excessive sintering and intergrowth of the silicon carbide crystals formed and thus the inclusion of porosity.
- the inventive use of the Starting powder and the heat treatment according to the invention achieve very uniform temperatures and chemical reaction conditions, especially in the second refractory containers according to the invention, so that very uniform SiC crystals are formed.
- a differential weighing of empty and filled container results in a filling quantity of the mixture of 13.5 kg. This results in a corresponding aggregate porosity of 0.62.
- the filled first refractory container is introduced into the same resistance-heated continuous walking beam furnace as in Example 1 and there subjected to heat treatment at a maximum temperature of 1630 °C with a residence time of 2 h under a nitrogen atmosphere, and discharged after passing through the cooling section. A whitish, fluffy layer has formed on the surface of the reaction mixture, which indicates the escape of SiO during the process.
- the loose powder is removed from the first refractory container as the reaction mixture. The amount of powder removed, determined by weighing, is 5620 g.
- a sample of the homogenized reaction mixture is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 66.5 wt.% SiC, 5.4 wt.% SiO2, and 27.7 wt.% C-free. The remainder consists of other impurities, such as iron. 41 wt.% of the same quartz sand as used as the starting material must be added to the powder to achieve the stoichiometric reaction to SiC.
- the entire reaction mixture is dry-mixed in a roller mixer for a further 2 h. The reaction mixture is then removed, and the grinding balls are separated.
- the true density of the mixture is determined by gas pycnometric analysis to be 2.167 g/ cm3 .
- the powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 94.2 wt.% SiC, 1.3 wt.% SiO2, and 4.1 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, free silicon, aluminum, and other trace elements.
- X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron micrographs show an average crystallite size of approximately 80 pm.
- the SiC particles are present as isolated and partially intergrown particles with a partially platelet-like particle shape with an average roundness of 0.4.
- PVA polyvinyl alcohol
- the wet mixture is then pressed into cuboids 40 mm high using a hydraulic press in a steel tool with die dimensions 80x80 mm at a pressure of 120 MPa.
- the 80x80x40 mm cuboids weigh 352 g each after drying in air at 120 °C for 2 hours.
- 80 of these cuboids are filled into a first cuboid-shaped refractory container from Example 1 (graphite with a length of 350 mm, width of 350 mm, and a height of 200 mm, with a wall thickness of 15 mm) to a filling height of 200 mm, corresponding to a filling volume of 20,480 cm3 .
- the total mass of 80 cuboids results in a filling quantity of 28.2 kg.
- the filled first refractory container is introduced into the same resistance-heated continuous walking beam furnace as in Example 1, where it is heat-treated at a maximum temperature of 1630 °C with a residence time of 2 hours under a nitrogen atmosphere. After passing through the cooling section, the cuboids are discharged. The cuboids have shrunk slightly in size by approximately 1 mm, are heavily cracked, and disintegrate into irregular chunks upon removal. It can be seen that the blocks located in the center of the container have a dark to black color, while the blocks at the surface have a white surface layer. The total amount of the removed blocks, determined by weighing, is 17,180 g.
- a sample of the homogenized reaction mixture is analyzed using FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 36.2 wt.% SiC, 30.9 wt.% SiO2 and 32.4 wt.% C-free. The remainder is other impurities such as iron. 23.2 wt.% of the same quartz sand as used as the starting material must be added to the powder to achieve the stoichiometric reaction to SiC.
- the entire reaction mixture is mixed dry in a roller mixer for a further 2 h.
- the true density of the reaction mixture determined by gas pycnometric analysis, is 1.88 g/ cm3 .
- Example 1 graphite with a length of 300 mm, width of 200 mm, and a height of 100 mm, with a wall thickness of 10 mm) to a filling height of 200 mm, corresponding to a filling volume of 5040 cm3 .
- the total mass of 48 cuboids results in a filling quantity of 5 kg. This results in a corresponding aggregate porosity of 0.47.
- the filled second refractory container is introduced into a second resistance-heated pusher furnace as in Example 1, where it is subjected to heat treatment at a maximum temperature of 2350 °C with a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere. After passing through the cooling section, it is discharged.
- the heavily sintered cuboids are removed from the second refractory container.
- the quantity of cuboids removed, determined by weighing, is 2.97 kg.
- another 4 identical second refractory containers made of graphite each containing 48 pieces of the reaction mixture, are brought to a filling height of 100 mm and are subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 2350 °C at a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace.
- the blocks removed from the five second refractory containers are filled into a drum mill, where they are crushed over a period of 10 hours with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls.
- the crushed powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 92.7 wt.% SiC, 1.6 wt.% SiO2 and 5.2 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, aluminum and other elements in traces.
- X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron microscopy images show an average crystallite size of approximately 100 pm.
- the SiC particles are predominantly intergrown particles in a predominantly platelet-like, partly sharp-edged or irregular particle shape.
- the bulk density of the powder determined by gas pycnometric analysis is 3.03 g/ cm3 . Closed pores were found between the intergrown particles in the polished section.
- 21.8 kg of the mixture are filled into a first cuboid-shaped refractory container made of graphite with a length of 350 mm, a width of 350 mm and a height of 200 mm with a wall thickness of 15 mm, and compacted by vibratory tamping to a filling height of 180 mm for the powder mixture, corresponding to a filling volume of 18432 cm3 .
- the filled first refractory container is introduced into a resistance-heated continuous walking beam furnace and subjected to heat treatment at a maximum temperature
- the powder is subjected to a 2-hour residence time under a nitrogen atmosphere at 1630 °C and discharged after passing through the cooling section.
- the slightly sintered but easily separated powder is removed from the first refractory container as a reaction mixture.
- the amount of powder removed, determined by weighing, is 7652 g.
- a sample of the homogenized reaction mixture is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, and DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 95.0 wt.% SiC, 1.4 wt.% SiO2, and 3.1 wt.% C-free. The remainder consists of other impurities such as iron. 3.77 wt.% of the same quartz sand as used as the starting material is added to the powder; corresponding to the stoichiometric reaction to SiC, and dry-mixed in a roller mixer for a further 2 h. The reaction mixture is then removed, and the grinding balls are separated. The true density of the mixture is determined by gas pycnometric analysis to be 3.03 g/ cm3 .
- another 119 identical second refractory containers made of graphite are filled with the same amount of reaction mixture to a filling height of 76 mm and are subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 2350 °C at a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace.
- the powder taken from the 120 second refractory containers is poured into a tumbler mixer, where it is homogenized with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls over a period of 1 hour.
- the powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 99.3 wt.% SiC, 0.1 wt.% SiO2 and 0.2 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, free silicon, aluminum and other elements in trace amounts.
- X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron microscopy images show an average crystallite size of approximately 120 pm. The SiC particles are predominantly isolated, isometric and congruent particles in a predominantly cubic shape with an average roundness of 0.7.
- the bulk density of the powder determined by gas pycnometric analysis is 3.12 g/ cm3 . In the polished section, almost no closed pores were found in the particles.
- 1320 g of the mixture are filled in three layers of 440 g each into a first cylindrical refractory graphite container with a wall thickness of 5 mm, an inner diameter of 185 mm and an inner height of 50 mm, each by light manual pressing, so that the powder filling height is 35 mm, corresponding to a filling volume of 940 cm 3 . This results in a corresponding aggregate porosity of 0.42.
- the surface of the powder filling is evenly covered with 30 g of acetylene black (carbon content 99.9 wt%), in This is sprinkled on with a sieve and then lightly pressed down.
- the total amount of carbon (the sum of petroleum coke and soot) in the mixture is thus 1000 g.
- the Si:C ratio is thus 40.4 to 59.6.
- the filled first refractory container is heat-treated in a resistance-heated furnace at 1600 °C for 5 hours under an argon atmosphere, cooled in the furnace, and the slightly sintered but easily separated powder is removed from the first refractory container as a reaction mixture.
- the amount of powder removed, determined by weighing, is 554 g.
- the powder of the reaction mixture is treated dry in a tumbler mixer for 2 h, during which 20 SiC grinding balls with a diameter of 5 mm are added.
- a sample of the ground powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, and DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 94.1 wt.% SiC, 1.1 wt.% SiO2, and 4.2 wt.% C-free. The remainder consists of other impurities such as iron.
- SiC silicon powder
- dgs 150 pm
- the powder is then removed, and the grinding balls are separated.
- the true density of the mixture is determined by gas pycnometric analysis to be 2.93 g/ cm3 .
- 560 g of this mixture is refilled into the first refractory container, which serves as the second refractory container, on a vibrating table to a height of 18 mm, corresponding to a volume of 484 cm3 .
- the filled second refractory container is heat-treated in a resistance-heated furnace at 2450 °C for 3 hours under an argon atmosphere, cooled in the furnace, and the slightly sintered but easily separated powder is removed from the second refractory container.
- the quantity of powder taken, determined by weighing, is 526 g.
- the powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 99.4 wt.% SiC, 0.1 wt.% Si-free, and 0.1 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, aluminum, and other elements in trace amounts.
- X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron micrographs show an average crystallite size of approximately 400 pm.
- the SiC particles are predominantly isolated, isometric, and congruent particles in a predominantly cubic shape with predominantly rounded edges and an average circularity of 0.6.
- the bulk density of the powder, determined by gas pycnometric analysis, is 3.18 g/cm 3 .
- the polished section shows almost no closed pores in the particles.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid sowie Siliciumcarbid Process for the production of silicon carbide and silicon carbide
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Materialwirtschaft, der Materialsynthese und der Technischen Keramik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid (SiC), insbesondere Roh-SiC, welches beispielweise zur Herstellung von feuerfester Keramik für Auskleidungen in Müllverbrennungsanlagen oder in Industrieöfen eingesetzt werden kann. The invention relates to the fields of materials management, material synthesis and technical ceramics and concerns a process for producing silicon carbide (SiC), in particular raw SiC, which can be used, for example, for producing refractory ceramics for linings in waste incineration plants or in industrial furnaces.
Siliciumcarbid (SiC) ist ein synthetisches Industriemineral, das wegen seiner herausragenden Eigenschaften (Härte, Hochtemperatureigenschaften, chemische Beständigkeit) in vielen Industriebranchen eingesetzt wird. Von besonderer Bedeutung ist sein Einsatz in Form spezieller, hochreiner und eng fraktionierter Feinstpulverkörnungen (0,5 bis circa 250 pm) in der Mikroelektronik/Photovoltaik (Wafersägen), zur Herstellung von ballistischer Schutzkeramik für die Militärtechnik, der Automobil-/Umwelttechnik (Dieselpartikelfilter), sowie in gröberer Form (2 pm bis 2000 pm) als Abrasivwerkstoff für hochwertige Oberflächenbearbeitung im gesamten Maschinenbau. Silicon carbide (SiC) is a synthetic industrial mineral used in many industries due to its outstanding properties (hardness, high-temperature properties, chemical resistance). Its use in the form of special, highly pure, and narrowly fractionated fine powder grains (0.5 to approximately 250 pm) is particularly important in microelectronics/photovoltaics (wafer sawing), for the production of ballistic protective ceramics for military technology, and in automotive/environmental technology (diesel particulate filters). Its coarser form (2 pm to 2000 pm) is also used as an abrasive material for high-quality surface finishing throughout mechanical engineering.
SiC-Pulverkörnungen werden aus speziellem Roh-SiC durch Mahlung, Reinigung und Fraktionierung hergestellt. Dabei fallen hohe und konstante Mengen an geringwertigem, schlecht verwertbarem SiC an. Die Roh-SiC-Erzeugung erfolgt seit circa 120 Jahren über einen Elektrosyntheseprozess, den sogenannten Acheson- Prozess (DE 76629 A, DE 85197 A, E.G. Acheson, Carborundum: Its history, manufacture and uses, J. of the Franklin Institute, Vol. 136, Issue 3, 1893, p. 194-203, ISSN 0016-0032). Bei diesem Prozess wird Roh-SiC in technisch relevantem Maßstab über eine carbothermische Reduktion von SiC>2 mit Kohlenstoff hergestellt. Als Ausgangsstoff für SiC>2 wird in der Regel Quarzsand und als Ausgangsstoff für Kohlenstoff in der Regel Petrolkoks eingesetzt. SiC powder granules are produced from special raw SiC through grinding, purification, and fractionation. This process results in high and consistent amounts of low-quality, poorly recyclable SiC. For approximately 120 years, crude SiC has been produced using an electrosynthesis process, the so-called Acheson process (DE 76629 A, DE 85197 A, EG Acheson, Carborundum: Its history, manufacture and uses, J. of the Franklin Institute, Vol. 136, Issue 3, 1893, pp. 194-203, ISSN 0016-0032). In this process, crude SiC is produced on a technically relevant scale via the carbothermal reduction of SiC>2 with carbon. Quartz sand is typically used as the starting material for SiC>2, and petroleum coke is typically used as the starting material for carbon.
Die carbothermische Reduktion erfolgt nach der Summenformel: The carbothermal reduction occurs according to the molecular formula:
Jedoch verläuft die carbothermischen Reduktion in der Realität nicht vollständig nach der Summenformel ab, sondern in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe laufen auch Teilreaktionen ab, wie z.B. eine Gasphasenreaktion von entstehendem SiO, der Bildung von SiO2-Schmelzen, der Reduktion des SiO2 bis zu schmelzflüssigem Si, der Rückreaktion von SiC mit SiO2 oder SiO. However, in reality, the carbothermal reduction does not proceed completely according to the molecular formula, but depending on the temperature and composition of the starting materials, partial reactions also take place, such as a gas phase reaction of emerging SiO, the formation of SiO2 melts, the reduction of SiO2 to molten Si, the reverse reaction of SiC with SiO2 or SiO.
Zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Roh-SiC, welches gut kristallisiert ist, eine hohe Reinheit von > 98 % SiC aufweist und aus überwiegend der Hochtemperaturmodifikation von SiC, dem sogenannten Alpha SiC, besteht, sind bei diesem Acheson-Prozess Temperaturen von > 2000 °C erforderlich. To produce high-quality raw SiC that is well crystallized, has a high purity of > 98% SiC and consists predominantly of the high-temperature modification of SiC, the so-called Alpha SiC, temperatures of > 2000 °C are required in this Acheson process.
Dementsprechend erfordert dieses Herstellungsverfahren nach dem Acheson-Prozess einen hohen Energieaufwand und ist daher an den Strom- und Ölpreis (Rohstoff Petrolkoks) gebunden. Ebenso entstehen hohe Staub-, CO/CO2- und SÖ2-Emissionen, die weitere Kosten verursachen. Accordingly, this manufacturing process, based on the Acheson process, requires high energy input and is therefore tied to the price of electricity and oil (petrol coke as the raw material). It also generates high levels of dust, CO2, and SO2 emissions, which incur additional costs.
Hinzu kommt, dass durch die notwendigen hohen Herstellungstemperaturen der Prozess bislang nur diskontinuierlich durchgeführt wird und dabei auch weitere technische Probleme bei den Vorrichtungen, in denen die Herstellung erfolgt, beispielsweise durch die Gasentwicklung oder die Reaktion mit Bestandteilen der Herstellungsvorrichtungen auftreten. Ebenfalls ist durch die diskontinuierliche Herstellung die Ausbeute und Qualität des Roh-SiC begrenzt. In addition, due to the high production temperatures required, the process has so far only been carried out discontinuously, and this also leads to further technical problems with the equipment used for production, such as gas evolution or reactions with components of the production equipment. Discontinuous production also limits the yield and quality of the raw SiC.
Alternative, insbesondere kontinuierliche, Herstellungsverfahren sind trotz vieler Versuche zumeist aus wirtschaftlichen Gründen bisher nicht erfolgreich gewesen. J.C. McMullen, J. Electrochem. Soc. 104, 462-465, 1957 zeigt einen Überblick über den Stand der Technik bei der Roh-SiC-Herstellung. Alternative, especially continuous, manufacturing processes have not been successful so far, despite many attempts, mostly for economic reasons. J.C. McMullen, J. Electrochem. Soc. 104, 462-465, 1957, provides an overview of the state of the art in raw SiC production.
Weiter ist aus der US 2,178,773 A die Herstellung von SiC durch Bewegung einer SiC>2-C- Mischung durch einen induktiv beheizten Ofen bekannt. Im Besonderen wird eine brikettierte Mischung verwendet, oder die Mischung wird in feuerfesten Behältern im Ofen bearbeitet. Nur teilweise umgesetzte Mischungen bei niedrigeren Temperaturen können mit einer weiteren Temperaturbehandlung weiter umgesetzt werden. Furthermore, US Pat. No. 2,178,773 A discloses the production of SiC by moving a SiC>2-C mixture through an inductively heated furnace. In particular, a briquetted mixture is used, or the mixture is processed in a furnace in refractory containers. Only partially reacted mixtures at lower temperatures can be further reacted with additional heat treatment.
Nach US 2,729,542 A wird eine Rohstoffmischung für SiC in miteinander verbundenen Behältern, die in ihrer Gesamtheit ein Rohr bilden, durch einen Rohrofen bei mindestens 1800 °C geführt. According to US 2,729,542 A, a raw material mixture for SiC in interconnected containers, which together form a tube, is passed through a tube furnace at a temperature of at least 1800 °C.
Eine Verwendung von unterteilten Behältern führt dabei nicht zu dem gewünschten Ergebnis. Using divided containers does not lead to the desired result.
Aus der DE 1 186447 C ist ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid bekannt, bei dem Kohlenstoff und Sand mit einer klebefähigen Flüssigkeit vermischt und bei Temperaturen bis 2100 °C bis zur 80%-igen Umsetzung kontinuierlich durch einen senkrecht stehenden Ofen geführt und nachfolgend das Reaktionsgut abgekühlt und in einen zweiten Ofen gestapelt und unter Schutzgas bei Temperaturen oberhalb 2200 °C behandelt wird. From DE 1 186447 C a process for the production of silicon carbide is known in which carbon and sand are mixed with an adhesive liquid and continuously passed through a vertical furnace at temperatures up to 2100 °C until 80% conversion is achieved, and then the reaction mixture is cooled and stacked in a second furnace and treated under protective gas at temperatures above 2200 °C.
Diese Vorgehensweise wurde vorgeschlagen, da im Laufe der Siliciumcarbidherstellung die Quarz-Kohlenstoffmischung stark zusammensintert und dadurch die Weiterbewegung des Reaktionsgutes in einem Ofen stark behindert wird. Durch die bis 80 %-ige Umsetzung in einem senkrechten Ofen kann ein Weitertransport des Reaktionsgutes realisiert werden. Jedoch muss für die vollständige Umsetzung noch ein zweiter Verfahrensschritt angeschlossen werden. This procedure was proposed because the quartz-carbon mixture sinters heavily during silicon carbide production, severely impeding the further movement of the reaction mixture in a furnace. By achieving up to 80% conversion in a vertical furnace, further transport of the reaction mixture is possible. However, a second process step is required for complete conversion.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass ein hoher Aufwand für die Mahlung und Mischung der Ausgangsprodukte und für die Brikettierung zur Stapelung des Reaktionsgutes im zweiten Ofen erforderlich ist und ebenso ein sicherer Transport auch in einem senkrechten Ofen nicht gewährleistet wird. The disadvantage of this solution is that a high level of effort is required for grinding and mixing the starting products and for briquetting to stack the reaction material in the second furnace, and safe transport is not guaranteed, even in a vertical furnace.
In WO 95/33683 A wird ebenfalls ein zweistufiger Prozess zur Herstellung von Alpha-SiC beschrieben, wobei annähernd stöchiometrische Verhältnisse von SiÜ2 und Kohlenstoff eingesetzt werden. Dabei wird die Mischung in Form von Pellets bei Temperaturen im Bereich von 1500-1800°C in einem kontinuierlich laufenden Drehrohrofen zu nahezu 100% ß-SiC umgesetzt und dieses wird dann in einer zweiten, konventionellen diskontinuierlichen Temperaturbehandlung zwischen 1800 und 2300°C zu Alpha-SiC umgewandelt. Weiterhin ist nach DE 30 50 136 C2 ein Verfahren zur Herstellung von ß-Siliziumkarbid bekannt, bei dem sehr feines kohlenstoffhaltiges Pulver und sehr feines Siliziumdioxidpulver bei einer Temperatur bis 1650 °C in inerter Atmosphäre umgesetzt wird, wobei das Reaktionsgemisch mit einem Schneckenförderer durch eine Niedrigtemperaturzone, dann durch eine Hochtemperaturzone bis maximal 1650 °C und wieder durch eine Niedrigtemperaturzone geführt wird und dieser Durchlauf solange wiederholt wird, bis die Umsetzung in ß-Siliziumkarbid vollständig erfolgt ist. WO 95/33683 A also describes a two-step process for producing alpha-SiC, using approximately stoichiometric ratios of SiO2 and carbon. The mixture, in pellet form, is converted to almost 100% ß-SiC at temperatures in the range of 1500-1800°C in a continuously operating rotary kiln. This is then converted to alpha-SiC in a second, conventional discontinuous heat treatment between 1800 and 2300°C. Furthermore, according to DE 30 50 136 C2, a process for producing ß-silicon carbide is known in which very fine carbon-containing powder and very fine silicon dioxide powder are reacted at a temperature of up to 1650 °C in an inert atmosphere, wherein the reaction mixture is conveyed by a screw conveyor through a low-temperature zone, then through a high-temperature zone up to a maximum of 1650 °C and again through a low-temperature zone and this cycle is repeated until the conversion into ß-silicon carbide is complete.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass sehr feine Pulver als Ausgangspulver erforderlich sind und mindestens mehrere Wiederholungen des Verfahrensablaufes je Reaktionsprodukt notwendig sind. The disadvantage of this process is that very fine powders are required as starting powder and at least several repetitions of the process are necessary for each reaction product.
Trotz weitergeführter Untersuchungen ist nach dem Stand der Technik kein Verfahren bekannt, mit dem eine im Wesentlichen vollständige Umsetzung von Siliciumcarbid in einem Verfahren realisiert werden kann. Despite ongoing investigations, no process is known according to the state of the art with which a substantially complete conversion of silicon carbide can be achieved in one process.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung von Siliciumcarbid sowie Siliciumcarbid, bei dem in einem Herstellungsprozess Roh-Siliciumcarbid mit hohen Umsatzraten und einer hohen Ausbeute hergestellt wird. The object of the present invention is to provide a process for producing silicon carbide and silicon carbide in which crude silicon carbide is produced in one production process with high conversion rates and a high yield.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung miteinschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen. The object is achieved by the invention defined in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, whereby the invention also includes combinations of the individual claims in the sense of an AND connection, as long as they are not mutually exclusive.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid mit einem Gehalt an SiC von mehr als 98 bis 99,95 Ma.-% werden Silicium- und Kohlenstoff-haltige Ausgangspulver mit Partikelgrößen mit einem dgs-Wert bis 1 ,6 mm in einem Verhältnis von Si : C von 37 : 63 bis 50 : 50 Ma.-% gemischt und in mindestens einen ersten feuerfesten Behälter eingefüllt, wobei eine Haufwerksporosität der Mischung zwischen 0,3 und 0,6 in dem ersten Behälter eingestellt wird, und nachfolgend der Behälter mit der Mischung bei Temperaturen von 1400 bis 1650 °C unter Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre wärmebehandelt wird, danach die SiC-Reaktionsmischung abgekühlt, homogenisiert und hinsichtlich ihres Gehalts an freiem Kohlenstoff analysiert wird, in Abhängigkeit vom Analyseergebnis zur Realisierung einer im Wesentlichen stöchiometrischen Zusammensetzung der homogenisierten SiC- Reaktionsmischung Silicium- und/oder Kohlenstoff-haltige Pulver zugegeben werden und nachfolgend diese Mischung in mindestens einen zweiten feuerfesten Behälter eingefüllt und eine Haufwerksporosität dieser Mischung zwischen 0,5 und 0,7 in dem zweiten Behälter eingestellt wird, und danach der so gefüllte zweite Behälter bei Temperaturen von 1850 bis 2500 °C unter Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre wärmebehandelt und das entstandene Roh-SiC abgekühlt wird. In the process according to the invention for producing silicon carbide with a SiC content of more than 98 to 99.95 wt.%, silicon and carbon-containing starting powders with particle sizes having a dgs value of up to 1.6 mm are mixed in a Si:C ratio of 37:63 to 50:50 wt.% and filled into at least one first refractory container, wherein a bulk porosity of the mixture is set between 0.3 and 0.6 in the first container, and subsequently the container with the mixture is heat-treated at temperatures of 1400 to 1650 °C under vacuum or oxygen-free atmosphere, then the SiC reaction mixture is cooled, homogenized and analyzed with regard to its free carbon content, depending on the analysis result to achieve a substantially stoichiometric composition of the homogenized SiC reaction mixture, silicon and/or carbon-containing powders are added and subsequently this mixture is at least one second refractory container and a bulk porosity of this mixture between 0.5 and 0.7 in the second container is set, and then the second container filled in this way is heat-treated at temperatures of 1850 to 2500 °C under vacuum or oxygen-free atmosphere and the resulting raw SiC is cooled.
Vorteilhafterweise werden als Silicium-haltige Ausgangspulver Pulver aus und/oder mit überwiegend SiC>2- und/oder Si-Partikeln, vorteilhafterweise aus Quarzsanden oder reinem SiÜ2 oder reinem metallischen oder metallurgischem Si eingesetzt. Advantageously, powders made of and/or with predominantly SiO2 and/or Si particles, advantageously made of quartz sands or pure SiO2 or pure metallic or metallurgical Si, are used as silicon-containing starting powders.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Kohlenstoff-haltige Ausgangspulver Pulver aus Ruß, Graphit, Kohle, insbesondere in Form von Anthrazit, Koks, wie Petrolkoks, Pechkoks, Koks aus Braun- oder Steinkohle, recycelter Kohlenstoff, wie sogenannter Thermolysekoks oder zurückgewonnener Ruß (rCB - recovered Carbon Black), Pflanzenkohle aus der Holzvergasung, oder Kohlenstoff aus der Methanpyrolyse eingesetzt. Also advantageously used as carbon-containing starting powders are powders made from soot, graphite, coal, particularly in the form of anthracite, coke, such as petroleum coke, pitch coke, coke from lignite or hard coal, recycled carbon, such as so-called thermolysis coke or recovered soot (rCB - recovered carbon black), biochar from wood gasification, or carbon from methane pyrolysis.
Weiterhin vorteilhafterweise werden die Ausgangspulver in einem Verhältnis von Si : C von 42 : 58 bis 44 : 56 Ma.-% eingesetzt. Furthermore, the starting powders are advantageously used in a Si : C ratio of 42 : 58 to 44 : 56 mass %.
Und auch vorteilhafterweise werden die Ausgangspulver mit Partikelgrößen mit einem dgs- Wert von 100 pm bis 1,6 mm, vorteilhafterweise von 500 pm bis 1000 pm, eingesetzt. And also advantageously, the starting powders are used with particle sizes with a dgs value of 100 pm to 1.6 mm, advantageously from 500 pm to 1000 pm.
Vorteilhaft ist es auch, wenn bei der Mischung der Ausgangspulver in dem mindestens einen ersten feuerfesten Behälter eine Haufwerksporosität von 0,32 bis 0,45, vorteilhafterweise von 0,35 bis 0,4 eingestellt wird. It is also advantageous if, when mixing the starting powders in the at least one first refractory container, a bulk porosity of 0.32 to 0.45, advantageously of 0.35 to 0.4, is set.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn bei der SiC-Reaktionsmischung nach der ersten Wärmebehandlung und nach der Zugabe von Zusätzen an Silicium- und/oder Kohlenstoffhaltige Pulvern zur Realisierung einer stöchiometrischen Zusammensetzung in dem mindestens einen zweiten feuerfesten Behälter eine Haufwerksporosität dieser Mischung zwischen 0,55 und 0,68 in dem zweiten Behälter eingestellt wird. It is furthermore advantageous if, in the case of the SiC reaction mixture, after the first heat treatment and after the addition of additives of silicon- and/or carbon-containing powders to achieve a stoichiometric composition in the at least one second refractory container, a bulk porosity of this mixture is set between 0.55 and 0.68 in the second container.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn erste und zweite feuerfeste Behälter eingesetzt werden, die aus Grafit und/oder kohlefaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) bestehen. It is also advantageous if first and second fireproof containers made of graphite and/or carbon fiber reinforced carbon (CFC) are used.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die eingefüllte Mischung im ersten feuerfesten Behälter mit einer Schicht aus Kohlenstoff-haltigem Pulver bedeckt wird, wobei das Kohlenstoff-haltige Pulver der Deckschicht Bestandteil des Gesamtkohlenstoffgehaltes in der Mischung ist und maximal 5 Ma.-% davon beträgt. Von Vorteil ist es auch, wenn erste feuerfeste Behälter mit einem Füllvolumen bis maximal 100 Liter und zweite feuerfeste Behälter mit einem Füllvolumen bis maximal 20 Liter eingesetzt werden. It is also advantageous if the mixture filled into the first refractory container is covered with a layer of carbon-containing powder, whereby the carbon-containing powder of the covering layer is part of the total carbon content in the mixture and amounts to a maximum of 5 mass% thereof. It is also advantageous if first fireproof containers with a filling volume of up to 100 liters and second fireproof containers with a filling volume of up to 20 liters are used.
Und weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Wärmebehandlungen jeweils in einem Durchlaufofen durchgeführt werden. It is also advantageous if the heat treatments are carried out in a continuous furnace.
Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn eine Vielzahl von ersten und zweiten feuerfesten Behältern mit den jeweiligen Mischungen befüllt werden. It is also advantageous if a large number of first and second refractory containers are filled with the respective mixtures.
Und auch von Vorteil ist es, wenn der oder die ersten und/oder die mindestens zweiten feuerfesten Behälter in einem Durchlaufofen nacheinander kontinuierlich hindurchgeführt und dabei wärmebehandelt werden. It is also advantageous if the first and/or at least the second refractory container(s) are continuously passed through a continuous furnace one after the other and are heat-treated in the process.
Vorteilhafterweise wird die Wärmebehandlung des mindestens einen ersten feuerfesten Behälters mit der Mischung bei Temperaturen zwischen 1560 und 1650 °C realisiert, und/oder die Wärmebehandlung des mindestens einen zweiten feuerfesten Behälters mit der Reaktionsmischung aus dem mindestens einen ersten feuerfesten Behälter mit Zusätzen zur Realisierung einer stöchiometrischen Mischung wird bei Temperaturen zwischen 2050 und 2350 °C realisiert. Advantageously, the heat treatment of the at least one first refractory container with the mixture is carried out at temperatures between 1560 and 1650 °C, and/or the heat treatment of the at least one second refractory container with the reaction mixture from the at least one first refractory container with additives for realizing a stoichiometric mixture is carried out at temperatures between 2050 and 2350 °C.
Das erfindungsgemäße Siliciumcarbid mit einem Gehalt an SiC von mehr als 98 bis 99,95 Ma.- % ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und weist einen überwiegenden Gehalt an isometrischen und/oder kongruenten SiC-Partikeln in überwiegend kubischer Partikelform mit einer mittleren Rundheit von 0,5 bis 0,8 und im Wesentliche konvexen Oberflächen und keinen plattigen Anteilen auf, wobei die SiC-Partikel im Wesentlichen vereinzelt vorliegen und keine oder im Wesentlichen keine geschlossene Porosität aufweisen und eine Rohdichte des Siliciumcarbids von mindestens 3,05 g/cm3 vorliegt. The silicon carbide according to the invention with a SiC content of more than 98 to 99.95 wt. % is produced by the process according to the invention and has a predominant content of isometric and/or congruent SiC particles in predominantly cubic particle shape with an average roundness of 0.5 to 0.8 and essentially convex surfaces and no plate-like portions, wherein the SiC particles are essentially isolated and have no or essentially no closed porosity and a bulk density of the silicon carbide of at least 3.05 g/cm 3 is present.
Vorteilhafterweise sind als isometrische und/oder kongruente SiC-Partikel Partikel vorhanden, die eine Verhältnis der Abmessungen in allen Raumrichtungen von > 0,5 bis 1 aufweisen. Advantageously, particles are present as isometric and/or congruent SiC particles which have a ratio of dimensions in all spatial directions of > 0.5 to 1.
Ebenfalls vorteilhafterweise liegen SiC-Partikel mit überwiegend kubischer Partikelform mit konvexen Oberflächen und keinen plattigen Anteilen vor, die eine mittlere Rundheit von 0,65 bis 0,78 aufweisen. Und auch vorteilhafterweise weist das Siliciumcarbid eine Rohdichte von 3,10 g/cm3, vorteilhafterweise von 3,18 g/cm3 auf. Also advantageous are SiC particles with a predominantly cubic particle shape with convex surfaces and no plate-like portions, which have an average roundness of 0.65 to 0.78. And also advantageously, the silicon carbide has a bulk density of 3.10 g/cm 3 , advantageously of 3.18 g/cm 3 .
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid anzugeben, bei dem in einem Herstellungsprozess Roh-Siliciumcarbid mit hohen Umsatzraten und einer hohen Ausbeute hergestellt wird. With the solution according to the invention, it is possible for the first time to provide a method for producing silicon carbide in which crude silicon carbide is produced in one production process with high conversion rates and a high yield.
Erstmals wird dies erreicht mit einem Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid mit einem Gehalt an SiC von mehr als 98 bis 99,95 Ma.-%, bei dem Silicium- und Kohlenstoff-haltige Ausgangspulver mit Partikelgrößen mit einem dgs-Wert bis 1 ,6 mm in einem Verhältnis von Si : C von 37 : 63 bis 50 : 50 Ma.-% gemischt und in mindestens einen ersten feuerfesten Behälter eingefüllt werden. This is achieved for the first time with a process for producing silicon carbide with a SiC content of more than 98 to 99.95 mass%, in which silicon and carbon-containing starting powders with particle sizes with a dgs value of up to 1.6 mm are mixed in a Si:C ratio of 37:63 to 50:50 mass% and filled into at least one first refractory container.
Vorteilhafterweise werden als Silicium-haltige Ausgangspulver Pulver aus und/oder mit überwiegend SiC>2- und/oder Si-Partikeln eingesetzt. Als SiCh-Pulver werden vorteilhafterweise Quarzsande verwendet. Advantageously, silicon-containing starting powders are powders made of and/or containing predominantly SiO2 and/or Si particles. Quartz sands are advantageously used as SiO2 powders.
Im Falle der Verwendung von SiO2-Pulvern wird deren Siliciumgehalt für die Berechnung des Verhältnisses von Si : C der Pulvermischung verwendet. In case of using SiO2 powders, their silicon content is used to calculate the Si:C ratio of the powder mixture.
In reinem SiÜ2 beträgt der Si-Gehalt 47 Ma.-%. In pure SiO2 the Si content is 47 mass%.
Bei reinem metallischen Silicium beträgt der Si-Anteil 100 Ma.-%. In pure metallic silicon, the Si content is 100 mass%.
Bei metallurgischem Silicium beträgt der Si-Anteil mindestens 90 Ma.-%. Typische Verunreinigungen von metallurgischem Silicium sind Eisen, Aluminium und Calcium. Andere Pulver mit Siliciumpartikeln entstehen beim Recycling von Solarzellen, bei der Mahlung von Einkristallschrott der Halbleiterindustrie. In metallurgical silicon, the Si content is at least 90 wt.%. Typical impurities in metallurgical silicon are iron, aluminum, and calcium. Other powders containing silicon particles are produced during the recycling of solar cells and during the grinding of single-crystal scrap from the semiconductor industry.
Als Kohlenstoff-haltige Ausgangspulver werden vorteilhafterweise Pulver aus Ruß, Graphit, Kohle, insbesondere in Form von Anthrazit, Koks, wie Petrolkoks, Pechkoks, Koks aus Braunoder Steinkohle, recycelter Kohlenstoff, wie sogenannter Thermolysekoks oder zurückgewonnener Ruß (rCB - recovered Carbon Black), Pflanzenkohle aus der Holzvergasung, oder Kohlenstoff aus der Methanpyrolyse eingesetzt. Carbon-containing starting powders which are advantageously used are powders made from soot, graphite, coal, particularly in the form of anthracite, coke, such as petroleum coke, pitch coke, coke from lignite or hard coal, recycled carbon, such as so-called thermolysis coke or recovered soot (rCB - recovered carbon black), biochar from wood gasification, or carbon from methane pyrolysis.
Die Kohlenstoff-haltigen Ausgangspulver besitzen vorteilhafterweise einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 85 Ma.-% Kohlenstoff, noch vorteilhafter von mindestens 90 Ma.-% Kohlenstoff, noch vorteilhafter von mindestens 95 Ma.-%. The carbon-containing starting powders advantageously have a carbon content of at least 85 mass% carbon, more advantageously at least 90 mass% carbon, even more advantageously at least 95 mass%.
Es ist ebenso möglich, als Ausgangspulver solche Materialien zu verwenden, die schon Silicium und/oder Siliciumoxide und Kohlenstoff enthalten, wie beispielsweise pyrolysierte Reisschalen, oder die auch nur Silicium aus Schleifschlämmen der Solar- und Mikroelektronikindustrie enthalten, oder die bereits Siliciumcarbid enthalten, oder die Kohlenstoff aus organischen Verunreinigungen enthalten. It is also possible to use materials that already contain silicon and/or silicon oxides and carbon as starting powder, such as pyrolyzed Rice husks, or which only contain silicon from grinding sludge from the solar and microelectronics industries, or which already contain silicon carbide, or which contain carbon from organic contaminants.
Ebenfalls werden vorteilhafterweise die Ausgangspulver in einem Mischungsverhältnis von Si : C von 42 : 58 bis 44 : 56 Ma.-% eingesetzt. The starting powders are also advantageously used in a mixing ratio of Si : C of 42 : 58 to 44 : 56 mass %.
Besonders bevorzugt ist, dass als Silicium-haltige Ausgangspulver überwiegend SiCh-Partikel und nur zu einem geringeren Anteil Si-haltige Ausgangspulver verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Mischungen mit einem Anteil von > 50 Ma.-% SiC>2, noch bevorzugter von > 80 Ma.-%. It is particularly preferred that the silicon-containing starting powder used predominantly consists of SiCl particles, with only a minor proportion of Si-containing starting powder. Mixtures with a proportion of > 50 wt.% SiCl>2 are particularly preferred, and even more preferably > 80 wt.%.
Die Mischung aus den Silicium- und Kohlenstoff-haltigen Ausgangspulvern wird beispielsweise mittels Rührern oder in einer Mühle durchgeführt. The mixing of the silicon and carbon-containing starting powders is carried out, for example, using stirrers or in a mill.
Von besonderer Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass im Gegensatz zu Verfahren des Standes der Technik relativ grobe Ausgangspulver einsetzbar sind. Vorteilhafterweise weisen die Ausgangspulver Partikelgrößen mit einem dgs-Wert von 100 pm bis zu 1 ,6 mm, vorteilhafterweise von 500 pm bis 1000 pm, auf. Diese Werte der Partikelgrößen bezeichnen die obere Grenze der Partikelgrößenverteilung (D95), bei dem 95 % der Partikel in dem Pulver eine Partikelgröße bis zu der oberen Grenze aufweisen. Technisch realisiert werden solche Partikelgrößenverteilungen beispielsweise durch eine Siebung oder Sichtung des Ausgangspulvers. Als mittlere Partikelgröße dso weisen die Ausgangspulver Werte der Partikelgrößen von 150 pm bis 1 ,2 mm, vorteilhafterweise von 200 pm bis 650 pm, auf. Im unteren Bereich der Partikelgrößenverteilung können bei den erfindungsgemäßen Ausgangspulvern auch sehr feine Partikel mit Partikelgrößen < 45 pm vorhanden sein, aber es ist ebenso vorteilhaft, dass dieser Gehalt an sehr feinen Partikeln in den Ausgangspulvern gering ist, da dieser Anteil an den sehr feinen Partikeln für das sichere Handling der Pulver beim Transport, der Mischung und dem Abfüllen ungünstig ist. Of particular importance in the process according to the invention is that, in contrast to prior art processes, relatively coarse starting powders can be used. Advantageously, the starting powders have particle sizes with a dgs value of 100 pm up to 1.6 mm, advantageously from 500 pm to 1000 pm. These particle size values indicate the upper limit of the particle size distribution (D95), at which 95% of the particles in the powder have a particle size up to the upper limit. Such particle size distributions are technically realized, for example, by sieving or classifying the starting powder. As an average particle size d50, the starting powders have particle sizes of 150 pm to 1.2 mm, advantageously from 200 pm to 650 pm. In the lower range of the particle size distribution, very fine particles with particle sizes < 45 pm may also be present in the starting powders according to the invention, but it is also advantageous that this content of very fine particles in the starting powders is low, since this proportion of very fine particles is unfavorable for the safe handling of the powders during transport, mixing and filling.
Dabei können sich die Partikelgrößen von Silicium-haltigen Ausgangspulvern und Kohlenstoffhaltigen Ausgangspulvern unterscheiden, d.h. es können gröbere Kohlenstoff-haltige Ausgangspulver mit feineren Silicium-haltigen Ausgangspulvern gemischt werden oder umgekehrt. The particle sizes of silicon-containing starting powders and carbon-containing starting powders can differ, i.e. coarser carbon-containing starting powders can be mixed with finer silicon-containing starting powders or vice versa.
Bevorzugt werden feinere Silicium-haltige Ausgangspulver gegenüber den Kohlenstoffhaltigen Ausgangspulver eingesetzt und gemischt. Es können auch vereinzelt, bis maximal 5 % der Partikel in den Ausgangspulvern, noch gröbere Partikel der Silicium-haltigen und/oder der Kohlenstoff-haltigen Ausgangspulver mit >1 ,6 mm enthalten sein, jedoch verlangsamt sich dadurch die Reaktion der Partikel zu SiC und der Gehalt an unumgesetztem SiC>2 oder Kohlenstoff im SiC nimmt ungünstigerweise zu. Preferably, finer silicon-containing starting powders are used and mixed over the carbon-containing starting powders. Even coarser particles of the silicon-containing and/or carbon-containing starting powders with a size of >1.6 mm may also be present in isolated cases, up to a maximum of 5% of the particles in the starting powders, but this slows down the reaction of the particles to SiC and the content of unreacted SiC>2 or carbon in the SiC increases unfavorably.
Die Mischung der Ausgangspulver wird danach in mindestens einen ersten feuerfesten Behälter eingefüllt. The mixture of starting powders is then poured into at least one first refractory container.
Vorteilhafterweise bestehen der mindestens eine erste und/oder auch der mindestens eine zweite feuerfeste Behälter aus Grafit und/oder kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC). Es sind aber auch andere Materialien, wie beispielsweise Siliciumcarbidkeramiken oder CFC- Behälter mit einer SiC-Beschichtung, als Behältermaterialien einsetzbar. Advantageously, the at least one first and/or at least one second refractory container consists of graphite and/or carbon fiber reinforced carbon (CFC). However, other materials, such as silicon carbide ceramics or CFC containers with a SiC coating, can also be used as container materials.
Vorteilhafterweise besteht der mindestens eine erste feuerfeste Behälter aus kohlenstoff-, nitrid- oder reaktionsgebundenem SiC, während für den mindestens einen zweiten feuerfesten Behälter rekristallisiertes SiC eingesetzt werden kann. Advantageously, the at least one first refractory container consists of carbon-, nitride- or reaction-bonded SiC, while recrystallized SiC can be used for the at least one second refractory container.
Von besonderer Bedeutung ist, dass die Mischung der Ausgangspulver in dem mindestens einen ersten feuerfesten Behälter eine Haufwerksporosität von 0,3 bis 0,6 aufweist, vorteilhafterweise von 0,32 bis 0,45, noch vorteilhafterweise von 0,35 bis 0,4. It is particularly important that the mixture of starting powders in the at least one first refractory container has a bulk porosity of 0.3 to 0.6, advantageously of 0.32 to 0.45, even more advantageously of 0.35 to 0.4.
Die Haufwerksporosität ist definiert als The aggregate porosity is defined as
Masse der Mischung pro eingefülltes Volumen der Mischung Mass of the mixture per filled volume of the mixture
1 . -1 . -
Reindichte der Mischung True density of the mixture
Dabei kann die Reindichte der Mischung bei bekannter Dichte der Ausgangsmaterialien und deren Anteile rechnerisch oder mittels Gaspyknometrie experimentell bestimmt werden. The pure density of the mixture can be determined mathematically or experimentally using gas pycnometry if the density of the starting materials and their proportions is known.
Die Masse der Mischung kann einfach durch Wägung bestimmt werden. The mass of the mixture can be easily determined by weighing.
Das Volumen der Behälter ist einfach rechnerisch bei einfachen Behältergeometrien oder durch Einfüllen von Flüssigkeit und Messung des Volumens der Flüssigkeit bei unklaren Behältergeometrien zu ermitteln. The volume of the containers can be easily determined by calculation for simple container geometries or by filling with liquid and measuring the volume of the liquid for unclear container geometries.
Die Behälter können mit Markierungen zum Füllstand versehen werden, um immer gleiche Volumina der Mischung in die Behälter einzubringen. Nach dem Einfüllen der Mischung der Ausgangspulver in dem mindestens einen ersten feuerfesten Behälter wird dieser mit der Mischung bei Temperaturen von 1400 bis 1650 °C unter Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre wärmebehandelt. Als sauerstofffreie Atmosphäre werden technische Schutzgasatmosphären, wie Argon- oder Stickstoff- Atmosphäre eingesetzt. The containers can be provided with fill level markings to ensure that the same volume of mixture is always added to the containers. After the mixture of starting powders is filled into at least one first refractory container, the container is heat-treated with the mixture at temperatures ranging from 1400 to 1650 °C under vacuum or in an oxygen-free atmosphere. Technical protective gas atmospheres such as argon or nitrogen are used as the oxygen-free atmosphere.
Vorteilhafterweise findet die Wärmebehandlung des mindestens einen ersten feuerfesten Behälters mit der Mischung der Ausgangspulver bei Temperaturen zwischen 1560 und 1650 °C statt. Advantageously, the heat treatment of the at least one first refractory container with the mixture of starting powders takes place at temperatures between 1560 and 1650 °C.
Die Wärmebehandlung kann vorteilhafterweise in einem Durchlaufofen durchgeführt werden. Dabei ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn eine Vielzahl an ersten feuerfesten Behältern mit den Mischungen der Ausgangspulver befüllt und nacheinander kontinuierlich durch einen Durchlaufofen hindurchgeführt und dabei wärmebehandelt werden. The heat treatment can advantageously be carried out in a continuous furnace. It is also advantageous if a plurality of first refractory containers are filled with the mixtures of starting powders and are continuously passed through a continuous furnace, where they are heat-treated.
Nach der Wärmebehandlung der Mischung in dem mindestens einen ersten feuerfesten Behälter wird der Behälter abgekühlt und es liegt eine Reaktionsmischung vor, die bereits überwiegend zu SiC umgewandelt ist. Dabei beträgt der SiC-Gehalt der SiC- Reaktionsmischung im Wesentlichen noch < 98 Ma.-% und es liegen auch noch Anteile an Si und C in der Reaktionsmischung vor, die noch nicht umgewandelt sind oder miteinander reagiert haben. After heat treatment of the mixture in the at least one first refractory container, the container is cooled, resulting in a reaction mixture that has already been predominantly converted to SiC. The SiC content of the SiC reaction mixture is essentially still < 98 mass%, and there are still portions of Si and C in the reaction mixture that have not yet been converted or have reacted with each other.
Die SiC-Reaktionsmischung wird dann beispielsweise durch Mahlen, Pressen, Brechen zu einem Pulver homogenisiert, wodurch einerseits wieder eine Partikelgrößenverteilung der Reaktionsmischung von dgs = 1,6 mm eingestellt und andererseits eine Vergleichmäßigung und Homogenisierung der Zusammensetzung und der Partikelgröße des Pulvers realisiert wird. The SiC reaction mixture is then homogenized into a powder, for example by grinding, pressing, or breaking, which on the one hand restores a particle size distribution of the reaction mixture of dgs = 1.6 mm and on the other hand evens out and homogenizes the composition and particle size of the powder.
Für die homogenisierte SiC-Reaktionsmischung aus dem ersten Verfahrensabschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann erfindungsgemäß die chemische Zusammensetzung analysiert. For the homogenized SiC reaction mixture from the first process step of the process according to the invention, the chemical composition is then analyzed according to the invention.
Die Analyse des SiC-Gehaltes wird mittels Verfahren nach FEPA Standard 45-1 :2011 bestimmt. The analysis of the SiC content is determined using the method according to FEPA Standard 45-1:2011.
Die Verunreinigungen können mittels bekannter Analysemethoden, beispielsweise Cfrei, Sifrei, SiO2 und Eisen nach DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 und FEPA Standard 45-1:2011 differenziert werden. Auch spektroskopische Verfahren können für die Analyse der Verunreinigungen angewandt werden, beispielsweise gemäß Verfahren nach DIN EN 15991 :2024. The impurities can be differentiated using known analytical methods, for example Cfree, Sifree, SiO 2 and iron according to DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and FEPA Standard 45-1:2011. Spectroscopic methods can also be used for the Analysis of impurities can be applied, for example according to the procedure of DIN EN 15991:2024.
Insbesondere soll mit der chemischen Analyse der homogenisierten SiC-Reaktionsmischung der Gehalt an freiem Kohlenstoff (Cfrei) mit den benannten Analysemethoden ermittelt werden. In particular, the chemical analysis of the homogenized SiC reaction mixture is intended to determine the free carbon content (Cf re i) using the specified analytical methods.
Ausgehend von der Analyse der SiC-Reaktionsmischung werden zur Realisierung der Reaktion zur Bildung von SiC und/oder Based on the analysis of the SiC reaction mixture, the reaction to form SiC and/or
Si + C -> SiC Si + C -> SiC
Silicium- und/oder Kohlenstoff-haltige Pulver, vorteilhafterweise solche Pulver, die auch als Ausgangspulver eingesetzt werden, zugegeben, um eine stöchiometrische Zusammensetzung der SiC-Reaktionsmischung für die Befüllung des mindestens einen zweiten Behälters zu realisieren. Silicon and/or carbon-containing powders, advantageously those powders which are also used as starting powders, are added in order to realize a stoichiometric composition of the SiC reaction mixture for filling the at least one second container.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass eine im Wesentlichen vollständige Umsetzung der SiC-Reaktionsmischung zu mehr als 98 Ma.-% SiC realisiert wird. This measure ensures that the SiC reaction mixture is essentially completely converted to more than 98 mass% SiC.
Dazu wird erfindungsgemäß die SiC-Reaktionsmischung mit den Zusätzen an Silicium- und/oder Kohlenstoff-haltigen Pulvern für eine stöchiometrische Zusammensetzung in den mindestens einen zweiten feuerfesten Behälter eingefüllt und eine Haufwerksporosität dieser Mischung zwischen 0,5 und 0,7, vorteilhafterweise zwischen 0,55 und 0,68, in dem zweiten Behälter eingestellt. For this purpose, according to the invention, the SiC reaction mixture with the additions of silicon- and/or carbon-containing powders for a stoichiometric composition is filled into the at least one second refractory container and a bulk porosity of this mixture is set between 0.5 and 0.7, advantageously between 0.55 and 0.68, in the second container.
Die Ermittlung und Einstellung der Haufwerksporosität erfolgt nach den gleichen Formeln und mit den gleichen Verfahren, wie dies für die Haufwerksporosität in dem mindestens einen ersten feuerfesten Behälter erfolgt. The determination and adjustment of the aggregate porosity is carried out according to the same formulas and with the same procedures as for the aggregate porosity in the at least one first refractory container.
Nach Einstellung der erfindungsgemäßen Haufwerksporosität wird der so gefüllte mindestens eine zweite feuerfeste Behälter bei Temperaturen von 1850 bis 2500 °C unter Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre wärmebehandelt. Als sauerstofffreie Atmosphäre werden technische Schutzgasatmosphären, wie Argon- oder Stickstoff-Atmosphäre eingesetzt. Vorteilhafterweise findet die Wärmebehandlung des mindestens einen zweiten feuerfesten Behälters mit der Mischung der Ausgangspulver bei Temperaturen zwischen 2050 und 2350 °C statt. Die Wärmebehandlung kann vorteilhafterweise in einem Durchlaufofen durchgeführt werden. Dabei ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn eine Vielzahl an zweiten feuerfesten Behältern mit den SiC-Reaktionsmischungen mit den Zusätzen zur Realisierung der stöchiometrischen Zusammensetzung befüllt und nacheinander kontinuierlich durch einen Durchlaufofen hindurchgeführt und dabei wärmebehandelt werden. After adjusting the aggregate porosity according to the invention, the at least one second refractory container thus filled is heat-treated at temperatures of 1850 to 2500 °C under vacuum or in an oxygen-free atmosphere. Technical protective gas atmospheres, such as argon or nitrogen, are used as the oxygen-free atmosphere. Advantageously, the heat treatment of the at least one second refractory container with the mixture of starting powders takes place at temperatures between 2050 and 2350 °C. The heat treatment can advantageously be carried out in a continuous furnace. It is also advantageous if a plurality of second refractory containers are filled with the SiC reaction mixtures with the additives required to achieve the stoichiometric composition and are continuously passed through a continuous furnace, where they are heat-treated.
Die Wärmebehandlung des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten feuerfesten Behälters mit den jeweiligen Mischungen kann in einem Ofen nacheinander oder in zwei verschiedenen Öfen realisiert werden. The heat treatment of the at least one first and at least one second refractory container with the respective mixtures can be carried out in one furnace one after the other or in two different furnaces.
Nach der Wärmebehandlung wird das entstandene Roh-SiC abgekühlt und kann weiterverarbeitet werden. After heat treatment, the resulting raw SiC is cooled and can be further processed.
Die Einstellung der erfindungsgemäß genannten Haufwerksporosität in den feuerfesten Behältern sowohl von der Ausgangspulvermischung im mindestens einen ersten feuerfesten Behälter als auch von der SiC-Reaktionsmischung mit den Zusätzen zur Realisierung einer stöchiometrischen Mischung im mindestens einen zweiten feuerfesten Behälter wird durch Einfüllen der Mischungen und durch eine mechanische Behandlung des Haufwerkes, beispielsweise durch Rütteln, Eindrücken, Pressen, Einstampfen oder durch Kombination derartiger mechanischer Behandlungen, wie beispielsweise Rüttelpressen, realisiert. The adjustment of the aggregate porosity mentioned according to the invention in the refractory containers both of the starting powder mixture in the at least one first refractory container and of the SiC reaction mixture with the additives for realizing a stoichiometric mixture in the at least one second refractory container is realized by filling the mixtures and by a mechanical treatment of the aggregate, for example by vibrating, indenting, pressing, tamping or by a combination of such mechanical treatments, such as vibratory pressing.
Es ist erfindungsgemäß ausdrücklich nicht vorgesehen, dass die Mischungen vor dem Einfüllen in die Behälter zu irgendwelchen Formteilen geformt werden und damit die Behälter gefüllt werden. Durch die dabei stattgefundene Verdichtung kann nicht die erfindungsgemäße Haufwerksporosität eingestellt werden, so dass sich nicht die gewünschten hohen Umsatzraten und Ausbeuten an Roh-SiC ergeben. The invention expressly does not envisage forming the mixtures into any molded parts before filling the containers, thereby filling the containers. The resulting compaction prevents the desired aggregate porosity from being achieved, thus preventing the desired high conversion rates and yields of crude SiC from being achieved.
Ebenfalls ausdrücklich ist bei der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen, dass die notwendige Haufwerksporosität durch die Zugabe von Hilfsstoffen, wie Bindemitteln oder anderen Ausbrennstoffen realisiert wird. Likewise, the present invention expressly does not provide for the necessary aggregate porosity to be achieved by the addition of auxiliary materials such as binders or other burnout materials.
Es ist erfindungsgemäß festgestellt worden, dass im Falle der Einstellung einer größeren Haufwerksporosität als für die jeweiligen Behälter erfindungsgemäß angegeben, es bei der SiC-Herstellung zu partiellen Verlusten des SiC-Gehaltes kommt und damit die Ausbeuten an Roh-SiC deutlich geringer sind, sowohl beim SiC-Reaktionsgemisch aus dem ersten Behälter als auch bei dem Roh-SiC aus dem zweiten Behälter, wobei insbesondere das Roh-SiC aus dem zweiten Behälter deutlich mehr Anteile an Roh-SiC mit SiC-Gehalten < 98 % aufweist. Hinzu kommt, dass die Ausbeute an Roh-SiC geringer ist, da weniger Material in die Behälter, insbesondere in den ersten Behälter eingebracht werden kann. It has been found according to the invention that if a larger aggregate porosity is set than specified for the respective containers according to the invention, partial losses of the SiC content occur during SiC production and thus the yields of crude SiC are significantly lower, both for the SiC reaction mixture from the first container and for the crude SiC from the second container, wherein in particular the crude SiC from The second container contains significantly more raw SiC with SiC contents < 98%. In addition, the yield of raw SiC is lower because less material can be introduced into the containers, especially the first container.
Weiter ist erfindungsgemäß festgestellt worden, dass im Falle der Einstellung einer geringeren Haufwerksporosität als für die jeweiligen Behälter erfindungsgemäß angegeben, es zu einer geringeren und insbesondere inhomogeneren Umsetzung der Ausgangspulver zu SiC im ersten Behälter und zu einer starken Verbackung oder Versinterung von SiC-Partikeln im zweiten Behälter kommt, wobei die verbackenen oder versinterten SiC-Partikel dann nicht mehr einfach vereinzelbar sind. Furthermore, it has been found according to the invention that if a lower aggregate porosity is set than that specified for the respective containers according to the invention, there is a lower and in particular more inhomogeneous conversion of the starting powder to SiC in the first container and a strong caking or sintering of SiC particles in the second container, wherein the caking or sintered SiC particles can then no longer be easily separated.
Es ist besonders überraschend festgestellt worden, dass die für einen hohen SiC-Gehalt von >98 Ma.-%, und Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung und Partikelgröße in den Behältern, unterschiedliche Haufwerksporositäten in den ersten und den zweiten Behältern vorteilhaft sind. Überraschenderweise sind in den ersten Behältern geringe Haufwerksporositäten von 0,35-0,45 bevorzugt und in den zweiten Behältern höhere Haufwerksporositäten von 0,55- 0,68. It has been particularly surprisingly found that, for a high SiC content of >98 wt.% and uniformity of composition and particle size in the containers, different aggregate porosities in the first and second containers are advantageous. Surprisingly, low aggregate porosities of 0.35-0.45 are preferred in the first containers, while higher aggregate porosities of 0.55-0.68 are preferred in the second containers.
Die Haufwerksporosität hängt neben der mechanischen Behandlung des Haufwerks auch von der Partikelgrößenverteilung der Ausgangspulver ab. Für den ersten Prozessschritt im mindestens einen ersten Behälter kann zum Erreichen der erfindungsgemäßen Haufwerksporosität auch eine Variation der Partikelgrößenverteilung in den erfindungsgemäß genannten Grenzen vorgenommen werden, was mittels einfacher Versuchsreihen festgestellt werden kann. In addition to the mechanical treatment of the aggregate, the aggregate porosity also depends on the particle size distribution of the starting powder. For the first process step in at least one first container, the particle size distribution can also be varied within the limits specified in the invention to achieve the aggregate porosity according to the invention. This can be determined using simple test series.
Für den zweiten Prozessschritt im mindestens einen zweiten Behälter hängt die Haufwerksporosität neben der mechanischen Behandlung des Haufwerks auch von der im ersten Prozessschritt erreichten Partikelgrößenverteilung der SiC-Partikel, deren Agglomerationsgrad und der Menge und Partikelgröße der Zumischungen ab. Auch hier kann die Ermittlung der erfindungsgemäßen Haufwerksporosität durch einfache Versuchsreihen realisiert und eingestellt werden. For the second process step in at least one second container, the aggregate porosity depends not only on the mechanical treatment of the aggregate but also on the particle size distribution of the SiC particles achieved in the first process step, their degree of agglomeration, and the quantity and particle size of the admixtures. Here, too, the aggregate porosity according to the invention can be determined and adjusted through simple test series.
Es ist auch möglich, die ersten feuerfesten Behälter als zweite feuerfeste Behälter einzusetzen, d.h. nach der Entleerung der ersten feuerfesten Behälter aus der ersten Wärmebehandlung kann die SiC-Reaktionsmischung mit den ermittelten Zusätzen wieder in diese feuerfesten Behälter für die zweite Wärmebehandlung gefüllt und anschließend wärmebehandelt werden. Es ist aber bevorzugt, dass für den ersten feuerfesten Behälter und den zweiten feuerfesten Behälter unterschiedliche Behälter mit unterschiedlichen Geometrien eingesetzt werden.It is also possible to use the first refractory containers as second refractory containers, i.e. after emptying the first refractory containers from the first heat treatment, the SiC reaction mixture with the determined additives can be refilled into these refractory containers for the second heat treatment and then heat treated. However, it is preferred that different containers with different geometries are used for the first refractory container and the second refractory container.
Es ist erfindungsgemäß sehr vorteilhaft, wenn der erste feuerfeste Behälter ein Füllvolumen bis maximal 100 Liter und der zweite feuerfeste Behälter ein Füllvolumen bis maximal 20 Liter aufweist. It is very advantageous according to the invention if the first fireproof container has a filling volume of up to a maximum of 100 liters and the second fireproof container has a filling volume of up to a maximum of 20 liters.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die eingefüllte Mischung im ersten feuerfesten Behälter mit einer Schicht aus Kohlenstoff-haltigem Pulver bedeckt wird. It is also advantageous if the mixture filled into the first refractory container is covered with a layer of carbon-containing powder.
Durch die Anreicherung von Kohlenstoff in einer Deckschicht auf dem Haufwerk im ersten feuerfesten Behälter wird die Umsetzung zu SiC befördert, da beispielsweise entweichendes dampfförmiges Si- und/oder SiO mit dem Kohlenstoff der Deckschicht zu SiC reagieren kann und nicht in die Atmosphäre außerhalb des Behälters gelangt. The enrichment of carbon in a covering layer on the heap in the first refractory container promotes the conversion to SiC, since, for example, escaping vaporous Si and/or SiO can react with the carbon of the covering layer to form SiC and does not enter the atmosphere outside the container.
Dabei ist es erfindungsgemäß von Bedeutung, dass der Kohlenstoff in der Deckschicht Bestandteil des Gesamtkohlenstoffgehaltes in der Mischung im ersten Behälter ist und maximal 5 Ma.-% davon beträgt. According to the invention, it is important that the carbon in the cover layer is part of the total carbon content in the mixture in the first container and amounts to a maximum of 5 mass% thereof.
Durch die geringe Menge des Kohlenstoffs der Deckschicht von maximal 5 Ma.-% ergibt sich nur eine dünne Schicht, deren Dicke von der Schüttdichte des verwendeten Kohlenstoffmaterials abhängt. Die Auswirkung dieser dünnen Schicht auf die Haufwerksporosität der Mischung ist daher vernachlässigbar, das heißt, die Angaben zur Haufwerksporosität im ersten Behälter beziehen sich auf das Haufwerk ohne die dünne Kohlenstoffdeckschicht. Due to the small amount of carbon in the top layer, a maximum of 5 mass%, only a thin layer is formed, the thickness of which depends on the bulk density of the carbon material used. The impact of this thin layer on the aggregate porosity of the mixture is therefore negligible; i.e., the aggregate porosity data in the first container refer to the aggregate without the thin carbon top layer.
Für die Berechnung des Si : C-Verhältnisses der Mischung ist die Kohlenstoffmenge der Deckschicht dagegen zu berücksichtigen, indem die Kohlenstoffmenge der Deckschicht der Gesamtkohlenstoffmenge der Mischung zugerechnet wird. However, to calculate the Si:C ratio of the mixture, the amount of carbon in the top layer must be taken into account by adding the amount of carbon in the top layer to the total amount of carbon in the mixture.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Siliciumcarbid mit einem Gehalt an SiC von mehr als 98 bis 99,95 Ma.-% hergestellt. Es handelt sich dabei um Roh-SiC, welches zu SiC-Pulver weiterverarbeitet wird und dann beispielsweise zur Herstellung von SiC-Keramik verwendet werden kann. The process according to the invention produces silicon carbide with an SiC content of more than 98 to 99.95 mass %. This raw SiC is further processed into SiC powder, which can then be used, for example, to produce SiC ceramics.
Es hat sich gezeigt, dass dann unter den erfindungsgemäß genannten Bedingungen eine besonders gleichmäßige und homogene Umsetzung der Ausgangspulver zu dem SiC- Reaktionsprodukt und bei der Umsetzung des SiC-Reaktionsproduktes zu Roh-SiC stattfindet und eine deutlich größere Ausbeute an Roh-SiC mit SiC-Gehalten von > 98 Ma.-% realisiert wird. Das erfindungsgemäße Siliciumcarbid mit einem Gehalt an SiC von mehr als 98 bis 99,95 Ma.- % weist einen überwiegenden Gehalt an isometrischen und/oder kongruenten SiC-Partikeln in überwiegend kubischer Partikelform mit einer mittleren Rundheit von 0,5 bis 0,8 und im Wesentlichen konvexen Oberflächen und keinen plattigen Anteilen auf, wobei die SiC-Partikel im Wesentlichen vereinzelt vorliegen und keine oder im Wesentlichen keine geschlossene Porosität aufweisen und eine Rohdichte des Siliciumcarbids von mindestens 3,05 g/cm3 vorliegt. It has been shown that under the conditions stated in the invention, a particularly uniform and homogeneous conversion of the starting powder to the SiC reaction product and during the conversion of the SiC reaction product to crude SiC takes place and a significantly higher yield of crude SiC with SiC contents of > 98 mass % is realized. The silicon carbide according to the invention with a SiC content of more than 98 to 99.95 wt. % has a predominant content of isometric and/or congruent SiC particles in predominantly cubic particle shape with an average roundness of 0.5 to 0.8 and essentially convex surfaces and no plate-like portions, wherein the SiC particles are essentially isolated and have no or essentially no closed porosity and a bulk density of the silicon carbide of at least 3.05 g/cm 3 is present.
Das erfindungsgemäße Siliciumcarbid ist ein Roh-SiC, welches zu SiC-Pulver weiterverarbeitet wird. The silicon carbide according to the invention is a raw SiC, which is further processed into SiC powder.
Für alle Angaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die als im Wesentlichen ausgeführt sind, soll verstanden werden, dass die Werte von der Angabe nur sehr geringfügig abweichen und die Abweichungen durch eine technische Realisierung oder technische Bearbeitung hervorgerufen worden sind. For all information within the scope of the present invention which is stated to be essentially the same, it should be understood that the values deviate only very slightly from the information and that the deviations have been caused by a technical realization or technical processing.
Vorteilhafterweise sind als isometrisch und/oder kongruente SiC-Partikel SiC-Partikel vorhanden, die eine Verhältnis der Abmessungen in allen Raumrichtungen von > 0,5 bis 1 aufweisen. Advantageously, SiC particles are present as isometric and/or congruent SiC particles which have a ratio of dimensions in all spatial directions of > 0.5 to 1.
Die Bestimmung von isometrischen Partikelgröße, kongruenten Partikelform und Rundheit kann bekanntermaßen gemäß DIN-ISO 13322-1 :2014-5 Teil 1 und 2 (statische und dynamische Analyse) durchgeführt oder in Anlehnung an die DIN-ISO 14688-1 :2020-11 ermittelt werden. The determination of isometric particle size, congruent particle shape and roundness can be carried out according to DIN-ISO 13322-1:2014-5 Parts 1 and 2 (static and dynamic analysis) or determined in accordance with DIN-ISO 14688-1:2020-11.
Ebenfalls vorteilhafterweise weisen die SiC-Partikel des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids eine überwiegend kubische Partikelform mit konvexen Oberflächen und keinen plattigen Anteilen auf und zeigen eine mittlere Rundheit von 0,65 bis 0,78. Also advantageously, the SiC particles of the silicon carbide according to the invention have a predominantly cubic particle shape with convex surfaces and no plate-like portions and show an average roundness of 0.65 to 0.78.
Die erfindungsgemäßen SiC-Partikel sind gerundet, angerundet und kantengerundet und weisen im Wesentlichen konvexe Oberflächen auf. The SiC particles according to the invention are rounded, semi-rounded and edge-rounded and have essentially convex surfaces.
Auch vorteilhaft ist es, wenn das Siliciumcarbid eine Rohdichte von 3,10 g/cm3, noch vorteilhafterweise von 3,18 g/cm3, aufweist. It is also advantageous if the silicon carbide has a bulk density of 3.10 g/cm 3 , even more advantageously of 3.18 g/cm 3 .
Die Rohdichte kann mittels dem bekannten Verfahren der Gaspyknometrie ermittelt werden. The bulk density can be determined using the well-known method of gas pycnometry.
Weiterhin kann aus der Rohdichte in Relation zur theoretischen Dichte des Siliciumcarbids die Porosität des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids bestimmt werden Rohdichte Furthermore, the porosity of the silicon carbide according to the invention can be determined from the bulk density in relation to the theoretical density of the silicon carbide Bulk density
Porosität [in Vol. -%] = (1 - - ) *100 theoretische Dichte Porosity [in Vol. -%] = (1 - - ) *100 theoretical density
Als theoretische Dichte von Siliciumcarbid wird üblicherweise eine Dichte von 3,21 g/cm3 angenommen. The theoretical density of silicon carbide is usually assumed to be 3.21 g/cm 3 .
Die Rohdichte des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids beträgt daher, gaspyknometrisch gemessen, mindestens 3,05 g/cm3, welches einer Porosität von <5 Vol.-% entspricht, vorteilhafterweise mindestens 3,10 g/cm3, welches einer Porosität von <3,5 Vol.-% entspricht, noch vorteilhafterweise mindestens 3,18 g/cm3, welches einer Porosität von <1 Vol.-% entspricht. The bulk density of the silicon carbide according to the invention, measured by gas pycnometric means, is therefore at least 3.05 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of <5 vol.%, advantageously at least 3.10 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of <3.5 vol.%, even more advantageously at least 3.18 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of <1 vol.%.
Das erfindungsgemäße Siliciumcarbid zeigt hinsichtlich seiner Form und Größe sehr isometrische und/oder kongruente, also sehr gleichmäßige und gleichförmige, SiC-Partikel. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids ist, dass die SiC-Partikel nur geringfügig miteinander verwachsen sind und keine oder im Wesentlichen keine Konglomerate vorliegen. The silicon carbide according to the invention exhibits highly isometric and/or congruent, i.e., very uniform and consistent, SiC particles in terms of shape and size. A further feature of the silicon carbide according to the invention is that the SiC particles are only slightly intergrown, with no or essentially no conglomerates present.
Ebenfalls zeigen die SiC-Partikel des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids keine oder nur sehr geringfügig geschlossene Porosität. Likewise, the SiC particles of the silicon carbide according to the invention show no or only very slight closed porosity.
Das erfindungsgemäße Siliciumcarbid kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid hergestellt werden. The silicon carbide according to the invention can be produced by the process according to the invention for producing silicon carbide.
Das erfindungsgemäße Siliciumcarbid zeigt beispielsweise bei einer röntgenographischen Analyse, dass das SiC zu 100 % aus Alpha-Polytypen besteht, überwiegend der 6H, 4H und 15R-Variante. Außerdem ist die Kristallitgröße der Partikel sehr gleichmäßig, d.h. die mittlere Kristallitgröße weicht nur um ca. +/- 20 % von dem Mittelwert ab. Der Mittelwert selbst hängt von den Herstellungsbedingungen, beispielsweise von der Temperatur, der Haltezeit und der Schutzgasatmosphäre der zweiten Wärmebehandlung ab, dergestalt, dass hohe Temperaturen und lange Haltezeiten zu einem gröberen Pulver führen und mit Argonatmosphäre im Vergleich zu Stickstoffatmosphäre ebenfalls gröbere Pulver erreicht werden. Das erfindungsgemäße und erfindungsgemäß hergestellte Siliciumcarbid unterscheidet sich von dem mittels dem bekannten Acheson-Verfahren hergestellten Roh-SiC einerseits durch sehr hohe SiC-Gehalte von mehr als 98 Ma.-% und andererseits weist das erfindungsgemäße und erfindungsgemäß hergestellte Siliciumcarbid sehr gleichmäßige Eigenschaften auf, wie beispielsweise, dass das Siliciumcarbid fast ausschließlich oder ausschließlich aus Alpha- Polytypen besteht und eine sehr gleichmäßige Kristallitgröße der SiC-Partikel aufweist. For example, X-ray analysis of the silicon carbide according to the invention shows that the SiC consists of 100% alpha polytypes, predominantly of the 6H, 4H, and 15R variants. Furthermore, the crystallite size of the particles is very uniform, meaning the average crystallite size deviates from the mean by only approximately +/- 20%. The mean value itself depends on the manufacturing conditions, for example, the temperature, the holding time, and the protective gas atmosphere of the second heat treatment. High temperatures and long holding times lead to a coarser powder, and an argon atmosphere also produces coarser powders than a nitrogen atmosphere. The silicon carbide according to the invention and produced according to the invention differs from the raw SiC produced by the known Acheson process on the one hand by very high SiC contents of more than 98 mass% and on the other hand the silicon carbide according to the invention and produced according to the invention has very uniform properties, such as the fact that the silicon carbide consists almost exclusively or exclusively of alpha polytypes and has a very uniform crystallite size of the SiC particles.
Ebenso unterscheidet sich das erfindungsgemäße und erfindungsgemäß hergestellte Siliciumcarbid auch von den mit bekannten Verfahren hergestellten hochreinen Siliciumcarbiden, welche Gehalte von mehr als 99,95 Ma.-% SiC aufweisen im Wesentlichen durch eine noch höhere Reinheit. Likewise, the silicon carbide according to the invention and produced according to the invention also differs from the high-purity silicon carbides produced by known processes, which have contents of more than 99.95 mass% SiC, essentially by an even higher purity.
Ebenso zeigt das Roh-SiC aus dem Acheson-Herstellungsprozess bekanntermaßen über den gesamten Chargenprozess betrachtet, innerhalb einer Ofencharge sehr ungleichmäßige Eigenschaften hinsichtlich SiC-Gehalt, Polytypengehalt, Partikelgröße und Partikelform.Likewise, the raw SiC from the Acheson manufacturing process is known to show very non-uniform properties with regard to SiC content, polytype content, particle size and particle shape within a furnace batch, when viewed over the entire batch process.
Aus der inneren Zone einer Ofencharge gebrochenes SiC aus dem Acheson-Verfahren kann zwar ebenfalls SiC-Gehalte von mehr als 98 Ma.-% aufweisen, jedoch ist dieses SiC- Mate rial sehr ungleichmäßig hinsichtlich der Partikelgröße und Partikelform. Es können sehr große plättchenförmige und scharfkantige Kristalle bis zu einer Größe von 20 mm auftreten, neben sehr kleinen (<200 pm), stark verwachsenen und unregelmäßigen plättchenförmigen oder auch stängligen Kristallen. Diese Verwachsungen sind so stark, dass die Kristallite auch Poren einschließen und nur durch die Anwendung starker mechanischer Kräfte zerkleinert werden können, was im daraus hergestellten Pulver zu einer stark unregelmäßigen und splittrigen Partikelform führt. SiC crushed from the inner zone of a furnace charge using the Acheson process can also exhibit SiC contents of more than 98 wt. %, but this SiC material is highly irregular in terms of particle size and shape. Very large, platelet-shaped and sharp-edged crystals up to 20 mm in size can occur, alongside very small (<200 pm), highly intergrown, and irregular platelet-shaped or even columnar crystals. These intergrowths are so strong that the crystallites also enclose pores and can only be crushed by the application of strong mechanical forces, resulting in a highly irregular and splintery particle shape in the resulting powder.
Durch die Porosität der Verwachsungen ist die mittels Gaspyknometrie gemessene Rohdichte des grob gebrochenen Roh-SiC mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 3mm aus dem Acheson-Prozess weit von der Reindichte des SiC von 3,21 g/cm3 entfernt und weist in der Regel Werte für die Rohdichte von kleiner/gleich 2,97 g/cm3, was einer Porosität von 7,5 Vol.- % entspricht, oder sogar nur 2,59 g/cm3, was einer Porosität von 19 Vol.-% entspricht (E.H.P. Wecht, Feuerfest-Siliciumcarbid, Applied Mineralogy Vol 11 , Springer-Verlag 1977, S. 41 und S. 246 ISBN 978-3-7091-7069-4). Due to the porosity of the intergrowths, the bulk density of the coarsely broken raw SiC with a particle size between 1 and 3 mm from the Acheson process, measured by gas pycnometry, is far from the true density of SiC of 3.21 g/cm 3 and usually shows values for the bulk density of less than or equal to 2.97 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of 7.5 vol.-%, or even only 2.59 g/cm 3 , which corresponds to a porosity of 19 vol.% (EHP Wecht, Feuerfest-Siliconcarbid, Applied Mineralogy Vol 11 , Springer-Verlag 1977, p. 41 and p. 246 ISBN 978-3-7091-7069-4).
Es kann angenommen werden, dass die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Siliciumcarbids dadurch entstehen, dass bei der erfindungsgemäßen Herstellung insbesondere die Einstellung der erfindungsgemäßen Haufwerksporosität ein zu starkes Versintern und Verwachsen der gebildeten Siliciumcarbidkristalle und damit den Einschluss von Porosität verhindert. Gleichzeitig werden durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Ausgangspulver und durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung sehr gleichmäßige Temperaturen und chemische Reaktionsbedingungen vor allem in den erfindungsgemäßen zweiten feuerfesten Behältern erreicht, so dass sich sehr gleichmäßige SiC-Kristalle bilden. It can be assumed that the properties of the silicon carbide according to the invention arise from the fact that, during the production according to the invention, in particular the adjustment of the aggregate porosity according to the invention prevents excessive sintering and intergrowth of the silicon carbide crystals formed and thus the inclusion of porosity. At the same time, the inventive use of the Starting powder and the heat treatment according to the invention achieve very uniform temperatures and chemical reaction conditions, especially in the second refractory containers according to the invention, so that very uniform SiC crystals are formed.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.
Vergleichsbeispiel 1 Comparison example 1
Mit einem Teil einer Mischung wie aus Beispiel 1 aus 1180 kg Quarzsand (SiO2-Gehalt 99 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 2,65 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,3 mm, wobei maximal 20 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen) und 820 kg Petrolkoks (Kohlenstoffgehalt 89 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 1 ,40 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,6 mm, wobei maximal 15 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen), trocken gemischt entsprechend eines Si : C Verhältnisses von 42,8 : 57,2 mit Reindichte der Mischung von 1 ,94 g/cm3 werden, 5 der ersten quaderförmigen feuerfesten Behälter gemäß Beispiel 1 (Grafit mit Länge 350 mm, Breite 350 mm und Höhe 200 mm mit Wandstärke von 15 mm) lose gefüllt bis auf eine Füllhöhe von 180 mm entsprechend einem Füllvolumen von 18432 cm3, analog zu Beispiel 1. Eine Differenzwägung von leerem und gefülltem Behälter ergibt eine Füllmenge der Mischung von 13,5 kg. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,62. Der gefüllte erste feuerfeste Behälter wird wie in Beispiel 1 in den gleichen widerstandsbeheizten Durchlauf-Hubbalkenofen eingeschleust und dort einer Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 1630 °C bei 2 h Verweilzeit unter Stickstoffatmosphäre unterzogen, und nach Durchlaufen der Abkühlstrecke ausgeschleust. An der Oberfläche der Reaktionsmischung hat sich eine weißliche, flaumige Schicht gebildet, die auf das Entweichen von SiO während des Prozesses hindeutet. Das lose Pulver wird als Reaktionsmischung aus dem ersten feuerfesten Behälter entnommen. Die mittels Wägung bestimmte Menge des entnommenen Pulvers beträgt 5620 g. With a portion of a mixture as in Example 1 consisting of 1180 kg of quartz sand (SiO2 content 99 mass%, gas pycnometrically determined true density 2.65 g/cm 3 , particle size dgs = 0.3 mm, with a maximum of 20% of the particles having a particle size of <45 pm) and 820 kg of petroleum coke (carbon content 89 mass%, gas pycnometrically determined true density 1.40 g/cm 3 , particle size dgs = 0.6 mm, with a maximum of 15% of the particles having a particle size of <45 pm), dry mixed according to a Si : C ratio of 42.8 : 57.2 with a true density of the mixture of 1.94 g/cm 3 , 5 of the first cuboidal refractory containers according to Example 1 (graphite with a length of 350 mm, width 350 mm and height 200 mm with a wall thickness of 15 mm) loosely filled to a filling height of 180 mm corresponding to a filling volume of 18432 cm 3 , analogous to Example 1. A differential weighing of empty and filled container results in a filling quantity of the mixture of 13.5 kg. This results in a corresponding aggregate porosity of 0.62. The filled first refractory container is introduced into the same resistance-heated continuous walking beam furnace as in Example 1 and there subjected to heat treatment at a maximum temperature of 1630 °C with a residence time of 2 h under a nitrogen atmosphere, and discharged after passing through the cooling section. A whitish, fluffy layer has formed on the surface of the reaction mixture, which indicates the escape of SiO during the process. The loose powder is removed from the first refractory container as the reaction mixture. The amount of powder removed, determined by weighing, is 5620 g.
Im Folgenden werden weitere 4 baugleiche erste feuerfeste Behälter aus Grafit mit der gleichen Menge an Pulvermischung auf eine Füllhöhe von 180 mm gebracht und nacheinander einer gleichen Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 1630°C bei einer Verweilzeit von 2h unter Stickstoffatmosphäre in dem Durchlaufofen unterzogen. Das aus den insgesamt 5 feuerfesten Behältern entnommene Pulver der Reaktionsmischung wird in die Trommel eines Rollenmischers gefüllt, und dort unter Zugabe von SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm über einen Zeitraum von 2 h homogenisiert. Eine Probe der homogenisierten Reaktionsmischung wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 66,5 Ma.-% aus SiC, 5,4 Ma.-% SiÜ2 und 27,7 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind weitere Verunreinigungen, wie Eisen. Dem Pulver müssen 41 Ma-% des gleichen Quarzsandes, wie als Ausgangsstoff eingesetzt, zugesetzt werden, für das Erreichen der stöchiometrischen Reaktion zu SiC. Die gesamte Reaktionsmischung wird im Rollenmischer weitere 2 h trocken gemischt. Danach wird die Reaktionsmischung entnommen und die Mahlkugeln abgetrennt. Die Reindichte der Mischung wird gaspyknometrisch zu 2, 167 g/cm3 bestimmt. Subsequently, four additional identical graphite refractory containers containing the same amount of powder mixture are filled to a fill level of 180 mm and subsequently subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 1630°C for a residence time of 2 hours under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace. The powder of the reaction mixture taken from the five refractory containers is poured into the drum of a roller mixer, where it is homogenized over a period of 2 hours with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls. A sample of the homogenized reaction mixture is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 66.5 wt.% SiC, 5.4 wt.% SiO2, and 27.7 wt.% C-free. The remainder consists of other impurities, such as iron. 41 wt.% of the same quartz sand as used as the starting material must be added to the powder to achieve the stoichiometric reaction to SiC. The entire reaction mixture is dry-mixed in a roller mixer for a further 2 h. The reaction mixture is then removed, and the grinding balls are separated. The true density of the mixture is determined by gas pycnometric analysis to be 2.167 g/ cm3 .
2,9 kg der Mischung werden in einen zweiten quaderförmigen feuerfesten Behälter aus Grafit mit Länge 300 mm, Breite 200 mm und Höhe 100 mm mit Wandstärke von 10 mm (baugleich wie in Beispiel 1) lose eingefüllt, so dass sich eine Füllhöhe der Reaktionsmischung von 95 mm ergibt, entsprechend einem Füllvolumen von 4788 cm3. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,72. Der gefüllte zweite feuerfeste Behälter wird wie in Beispiel 1 in einen zweiten widerstandsbeheizten Schubofen eingeschleust und dort einer Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 2350 °C bei 30 min Verweilzeit unter Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, und nach Durchlaufen der Abkühlstrecke ausgeschleust. Das geringfügig versinterte, aber leicht zu vereinzelnde Pulver wird aus dem zweiten feuerfesten Behälter entnommen. Die mittels Wägung bestimmte Menge des entnommenen Pulvers beträgt 1970 g. 2.9 kg of the mixture are loosely poured into a second cuboid-shaped refractory graphite container with a length of 300 mm, a width of 200 mm, and a height of 100 mm, with a wall thickness of 10 mm (identical to Example 1), resulting in a reaction mixture filling height of 95 mm, corresponding to a filling volume of 4788 cm³ . This results in a corresponding aggregate porosity of 0.72. The filled second refractory container is introduced into a second resistance-heated pusher furnace as in Example 1, where it is heat-treated at a maximum temperature of 2350 °C with a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere. After passing through the cooling section, the container is discharged. The slightly sintered but easily separated powder is removed from the second refractory container. The amount of powder removed, determined by weighing, is 1970 g.
Im Folgenden werden weitere 4 baugleiche zweite feuerfeste Behälter aus Grafit mit der gleichen Menge an Reaktionsmischung auf eine Füllhöhe von 95 mm gebracht und nacheinander einer gleichen Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 2350°C bei einer Verweilzeit von 30 min unter Stickstoffatmosphäre in dem Durchlaufofen unterzogen. Das aus den insgesamt 5 zweiten feuerfesten Behältern entnommene Pulver wird in einen Taumelmischer gefüllt, und dort unter Zugabe von SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm über einen Zeitraum von 1 h homogenisiert. Subsequently, four additional identical second refractory graphite containers are filled with the same amount of reaction mixture to a fill level of 95 mm and subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 2350°C with a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace. The powder removed from the five second refractory containers is transferred to a tumbler mixer, where it is homogenized with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls over a period of 1 hour.
Das Pulver wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 94,2 Ma.-% aus SiC, 1 ,3 Ma.-% SiÜ2 und 4,1 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind geringe Verunreinigungen, wie Eisen, freies Silicium, Aluminium und weitere Elemente in Spuren. Die röntgenografische Analyse ergibt einen SiC-Anteil von 100 % Polytypen der Alpha-Modifikation, überwiegend des 6H-Polytypen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen ergeben eine mittlere Kristallitgröße von ca. 80 pm. Die SiC-Partikel als vereinzelte und zum Teil verwachsene Partikeln mit zum Teil plättchenförmiger Partikelform mit einer mittleren Rundheit von 0,4 vor. The powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 94.2 wt.% SiC, 1.3 wt.% SiO2, and 4.1 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, free silicon, aluminum, and other trace elements. X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron micrographs show an average crystallite size of approximately 80 pm. The SiC particles are present as isolated and partially intergrown particles with a partially platelet-like particle shape with an average roundness of 0.4.
Bei Probenahmen aus verschiedenen Bereichen des zweiten feuerfesten Behälters (oben/Mitte, unten/Rand) ergeben sich sehr große Abweichungen von >4 Ma.-% hinsichtlich der Zusammensetzung. Die REM-Untersuchungen zeigen große Unterschiede in der mittleren Kristallitgröße. Sampling from different areas of the second refractory vessel (top/middle, bottom/edge) revealed very large compositional deviations of >4 wt.%. SEM analyses revealed significant differences in mean crystallite size.
Vergleichsbeispiel 2 Comparison example 2
Von der Mischung aus Beispiel 1 aus 1180 kg Quarzsand (SiO2-Gehalt 99 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 2,65 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,3 mm, wobei maximal 20 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen) und 820 kg Petrolkoks (Kohlenstoffgehalt 89 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 1 ,40 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,6 mm, wobei maximal 15 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen); entsprechend eines Si : C Verhältnisses von 42,8 : 57,2) mit einer Reindichte der Mischung von 1 ,94 g/cm3), werden nach der Trockenmischung 200 kg entnommen und mit 4 kg Polyvinylalkohol (PVA) gelöst als 30 %ige Lösung in Wasser für weitere 2 h feucht gemischt, und die feuchte Mischung mit einer hydraulischen Presse in einem Stahlwerkzeug mit Matrizenabmaßen 80x80 mm bei einem Pressdruck von 120 MPa zu Quadern der Höhe 40 mm gepresst. Die Quader 80x80x40 mm wiegen nach der Trocknung unter Luft bei 120 °C für 2 h jeweils 352 g. 80 Stk. dieser Quader werden in einen ersten quaderförmigen feuerfesten Behälter aus Beispiel 1 (Grafit mit Länge 350 mm, Breite 350 mm und Höhe 200 mm mit Wandstärke von 15 mm) eingefüllt bis auf eine Füllhöhe von 200 mm entsprechend einem Füllvolumen von 20480 cm3. Aus der Gesamtmasse von 80 Stk. ergibt sich eine Füllmenge von 28,2 kg. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,29. Der gefüllte erste feuerfeste Behälter wird wie in Beispiel 1 in den gleichen widerstandsbeheizten Durchlauf- Hubbalkenofen eingeschleust und dort einer Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 1630 °C bei 2 h Verweilzeit unter Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, und nach Durchlaufen der Abkühlstrecke ausgeschleust. Die Quader sind in ihren Abmaßen leicht um ca. 1 mm geschwunden, und stark rissig und zerfallen bei der Entnahme in unregelmäßige Brocken. Es zeigt sich, dass die in der Mitte des Behälters angeordneten Quader eine dunkle bis schwarze Farbe aufweisen, während die an der Oberfläche liegenden Quader eine oberflächlich weiße Schicht aufweisen. Die mittels Wägung bestimmte Menge der entnommenen Brocken beträgt insgesamt 17180 g. Im Folgenden werden weitere 4 baugleiche erste feuerfeste Behälter aus Grafit mit der gleichen Menge an Quadern gefüllt und nacheinander einer gleichen Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 1630 °C bei einer Verweilzeit von 2 h unter Stickstoffatmosphäre in dem Durchlaufofen unterzogen. Die aus den insgesamt 5 feuerfesten Behältern entnommenen Brocken der Reaktionsmischung werden in die Trommel eines Rollenmischers gefüllt, und dort unter Zugabe von SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm über einen Zeitraum von 8 h homogenisiert. From the mixture of example 1 consisting of 1180 kg of quartz sand (SiO2 content 99 mass%, gas pycnometrically determined pure density 2.65 g/cm 3 , particle size dgs = 0.3 mm, with a maximum of 20% of the particles having a particle size of <45 pm) and 820 kg of petroleum coke (carbon content 89 mass%, gas pycnometrically determined pure density 1.40 g/cm 3 , particle size dgs = 0.6 mm, with a maximum of 15% of the particles having a particle size of <45 pm); After the dry mix, 200 kg of the mixture (corresponding to a Si:C ratio of 42.8:57.2) with a true density of 1.94 g/cm 3 ) are taken and mixed with 4 kg of polyvinyl alcohol (PVA) dissolved as a 30% solution in water for a further 2 hours. The wet mixture is then pressed into cuboids 40 mm high using a hydraulic press in a steel tool with die dimensions 80x80 mm at a pressure of 120 MPa. The 80x80x40 mm cuboids weigh 352 g each after drying in air at 120 °C for 2 hours. 80 of these cuboids are filled into a first cuboid-shaped refractory container from Example 1 (graphite with a length of 350 mm, width of 350 mm, and a height of 200 mm, with a wall thickness of 15 mm) to a filling height of 200 mm, corresponding to a filling volume of 20,480 cm³ . The total mass of 80 cuboids results in a filling quantity of 28.2 kg. This results in a corresponding aggregate porosity of 0.29. The filled first refractory container is introduced into the same resistance-heated continuous walking beam furnace as in Example 1, where it is heat-treated at a maximum temperature of 1630 °C with a residence time of 2 hours under a nitrogen atmosphere. After passing through the cooling section, the cuboids are discharged. The cuboids have shrunk slightly in size by approximately 1 mm, are heavily cracked, and disintegrate into irregular chunks upon removal. It can be seen that the blocks located in the center of the container have a dark to black color, while the blocks at the surface have a white surface layer. The total amount of the removed blocks, determined by weighing, is 17,180 g. Subsequently, four additional identical graphite refractory containers are filled with the same quantity of blocks and subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 1630 °C for a residence time of 2 hours under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace. The lumps of the reaction mixture removed from the five refractory containers are filled into the drum of a roller mixer, where they are homogenized over a period of 8 hours with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls.
Eine Probe der homogenisierten Reaktionsmischung wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 36,2 Ma.-% aus SiC, 30,9 Ma.-% SiÜ2 und 32,4 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind weitere Verunreinigungen, wie Eisen. Dem Pulver müssen 23,2 Ma-% des gleichen Quarzsandes, wie als Ausgangsstoff eingesetzt, zugesetzt werden, für das Erreichen der stöchiometrischen Reaktion zu SiC. Die gesamte Reaktionsmischung wird im Rollenmischer weitere 2 h trocken gemischt. Die gaspyknometrisch bestimmte Reindichte der Reaktionsmischung beträgt 1 ,88 g/cm3. Anschließend werden zu der Mischung 4 kg Polyvinylalkohol (PVA) gelöst als 30 %ige Lösung in Wasser zugegeben und diese für weitere 2 h feucht gemischt. Danach wird die Reaktionsmischung entnommen und die Mahlkugeln abgetrennt. Die feuchte Mischung wird mit einer hydraulischen Presse in einem Stahlwerkzeug mit Matrizenabmaßen 60x70 mm bei einem Pressdruck von 100 MPa zu Quadern der Höhe 25 mm gepresst. Die Quader 60x70x25 mm wiegen nach der Trocknung unter Luft bei 120 °C für 2 h jeweils 105 g. A sample of the homogenized reaction mixture is analyzed using FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 36.2 wt.% SiC, 30.9 wt.% SiO2 and 32.4 wt.% C-free. The remainder is other impurities such as iron. 23.2 wt.% of the same quartz sand as used as the starting material must be added to the powder to achieve the stoichiometric reaction to SiC. The entire reaction mixture is mixed dry in a roller mixer for a further 2 h. The true density of the reaction mixture, determined by gas pycnometric analysis, is 1.88 g/ cm3 . 4 kg of polyvinyl alcohol (PVA) dissolved as a 30% solution in water is then added to the mixture, and the mixture is mixed wet for a further 2 h. The reaction mixture is then removed and the grinding beads separated. The moist mixture is pressed into 25 mm high cubes using a hydraulic press in a steel die with die dimensions of 60 x 70 mm at a pressure of 100 MPa. The 60 x 70 x 25 mm cubes weigh 105 g each after drying in air at 120 °C for 2 hours.
48 Stk. dieser Quader werden in einen zweiten quaderförmigen feuerfesten Behälter aus Beispiel 1 (Grafit mit Länge 300 mm, Breite 200 mm und Höhe 100 mm mit Wandstärke von 10 mm) eingestapelt bis auf eine Füllhöhe von 200 mm entsprechend einem Füllvolumen von 5040 cm3. Aus der Gesamtmasse von 48 Stk. ergibt sich eine Füllmenge von 5 kg. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,47. Der gefüllte zweite feuerfeste Behälter wird wie in Beispiel 1 in einen zweiten widerstandsbeheizten Schubofen eingeschleust und dort einer Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 2350 °C bei 30 min Verweilzeit unter Stickstoffatmosphäre unterzogen, und nach Durchlaufen der Abkühlstrecke ausgeschleust. Die stark versinterten Quader werden aus dem zweiten feuerfesten Behälter entnommen. Die mittels Wägung bestimmte Menge der entnommenen Quader beträgt 2,97 kg. 48 of these cuboids are stacked into a second cuboid-shaped refractory container from Example 1 (graphite with a length of 300 mm, width of 200 mm, and a height of 100 mm, with a wall thickness of 10 mm) to a filling height of 200 mm, corresponding to a filling volume of 5040 cm³ . The total mass of 48 cuboids results in a filling quantity of 5 kg. This results in a corresponding aggregate porosity of 0.47. The filled second refractory container is introduced into a second resistance-heated pusher furnace as in Example 1, where it is subjected to heat treatment at a maximum temperature of 2350 °C with a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere. After passing through the cooling section, it is discharged. The heavily sintered cuboids are removed from the second refractory container. The quantity of cuboids removed, determined by weighing, is 2.97 kg.
Im Folgenden werden weitere 4 baugleiche zweite feuerfeste Behälter aus Grafit mit je 48 Stk. aus Quadern der Reaktionsmischung auf eine Füllhöhe von 100 mm gebracht und nacheinander einer gleichen Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 2350 °C bei einer Verweilzeit von 30 min unter Stickstoffatmosphäre in dem Durchlaufofen unterzogen. Die aus den insgesamt 5 zweiten feuerfesten Behältern entnommenen Quader werden in eine Trommelmühle gefüllt, und dort unter Zugabe von SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm über einen Zeitraum von 10 h zerkleinert. In the following, another 4 identical second refractory containers made of graphite, each containing 48 pieces of the reaction mixture, are brought to a filling height of 100 mm and are subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 2350 °C at a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace. The blocks removed from the five second refractory containers are filled into a drum mill, where they are crushed over a period of 10 hours with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls.
Das zerkleinerte Pulver wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 92,7 Ma.-% aus SiC, 1 ,6 Ma.-% SiÜ2 und 5,2 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind geringe Verunreinigungen, wie Eisen, Aluminium und weitere Elemente in Spuren. Die röntgenografische Analyse ergibt einen SiC-Anteil von 100 % Polytypen der Alpha-Modifikation, überwiegend des 6H-Polytypen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen ergeben eine mittlere Kristallitgröße von ca. 100 pm. Die SiC-Partikel liegen überwiegend als miteinander verwachsene Partikeln in überwiegend plättchenförmiger, zum Teil scharfkantiger oder ungleichmäßiger Partikelform vor. Die gaspyknometrisch bestimmte Rohdichte des Pulvers beträgt 3,03 g/cm3. Im Anschliff sind geschlossene Poren zwischen den verwachsenen Partikeln festgestellt worden. The crushed powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 92.7 wt.% SiC, 1.6 wt.% SiO2 and 5.2 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, aluminum and other elements in traces. X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron microscopy images show an average crystallite size of approximately 100 pm. The SiC particles are predominantly intergrown particles in a predominantly platelet-like, partly sharp-edged or irregular particle shape. The bulk density of the powder determined by gas pycnometric analysis is 3.03 g/ cm3 . Closed pores were found between the intergrown particles in the polished section.
Bei Probenahmen aus Quadern in verschiedenen Bereichen des zweiten feuerfesten Behälters (oben/Mitte, unten/Rand) ergeben sich sehr große Abweichungen von >5 Ma.-% hinsichtlich der Zusammensetzung. Die REM-Untersuchungen zeigen große Unterschiede in der mittleren Kristallitgröße. Sampling from blocks in various areas of the second refractory vessel (top/middle, bottom/edge) reveals very large compositional deviations of >5 wt.%. SEM analyses reveal significant differences in mean crystallite size.
Beispiel 1 Example 1
1180 kg Quarzsand (SiO2-Gehalt 99 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 2,65 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,3 mm, wobei maximal 20 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen) und 820 kg Petrolkoks (Kohlenstoffgehalt 89 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 1 ,40 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,6 mm, wobei maximal 15 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen), entsprechend eines Si : C Verhältnisses von 42,8 : 57,2 werden trocken in mehreren Batches in einem Trommelmischer für jeweils 8 h gemischt. Die Reindichte der Mischung beträgt 1 ,94 g/cm3. 21 ,8 kg der Mischung werden in einen ersten quaderförmigen feuerfesten Behälter aus Grafit mit Länge 350 mm, Breite 350 mm und Höhe 200 mm mit Wandstärke von 15 mm eingefüllt, und per Rüttelstampfen so verdichtet, dass sich eine Füllhöhe der Pulvermischung von 180 mm ergibt, entsprechend einem Füllvolumen von 18432 cm3. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,39. Der gefüllte erste feuerfeste Behälter wird in einen widerstandsbeheizten Durchlauf- Hubbalkenofen eingeschleust und dort einer Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 1630 °C bei 2 h Verweilzeit unter Stickstoffatmosphäre unterzogen, und nach Durchlaufen der Abkühlstrecke ausgeschleust. Das geringfügig versinterte, aber leicht zu vereinzelnde Pulver wird als Reaktionsmischung aus dem ersten feuerfesten Behälter entnommen. Die mittels Wägung bestimmte Menge des entnommenen Pulvers beträgt 7652 g. 1180 kg of quartz sand (SiO2 content 99 mass%, gas pycnometrically determined true density 2.65 g/cm 3 , particle size dgs = 0.3 mm, with a maximum of 20% of the particles having a particle size of <45 pm) and 820 kg of petroleum coke (carbon content 89 mass%, gas pycnometrically determined true density 1.40 g/cm 3 , particle size dgs = 0.6 mm, with a maximum of 15% of the particles having a particle size of <45 pm), corresponding to a Si:C ratio of 42.8:57.2, are dry mixed in several batches in a drum mixer for 8 hours each. The true density of the mixture is 1.94 g/cm 3 . 21.8 kg of the mixture are filled into a first cuboid-shaped refractory container made of graphite with a length of 350 mm, a width of 350 mm and a height of 200 mm with a wall thickness of 15 mm, and compacted by vibratory tamping to a filling height of 180 mm for the powder mixture, corresponding to a filling volume of 18432 cm³ . This results in a corresponding aggregate porosity of 0.39. The filled first refractory container is introduced into a resistance-heated continuous walking beam furnace and subjected to heat treatment at a maximum temperature The powder is subjected to a 2-hour residence time under a nitrogen atmosphere at 1630 °C and discharged after passing through the cooling section. The slightly sintered but easily separated powder is removed from the first refractory container as a reaction mixture. The amount of powder removed, determined by weighing, is 7652 g.
Im Folgenden werden weitere 89 baugleiche erste feuerfeste Behälter aus Grafit mit der gleichen Menge an Pulvermischung auf eine Füllhöhe von 180 mm gebracht und nacheinander einer gleichen Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 1630 °C bei einer Verweilzeit von 2 h unter Stickstoffatmosphäre in dem Durchlaufofen unterzogen. Das aus den insgesamt 90 feuerfesten Behältern entnommene Pulver der Reaktionsmischung wird in die Trommel eines Rollenmischers gefüllt, und dort unter Zugabe von SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm über einen Zeitraum von 2 h homogenisiert. Subsequently, another 89 identical graphite refractory containers containing the same amount of powder mixture are filled to a fill level of 180 mm and subsequently subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 1630 °C for a residence time of 2 hours under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace. The powder of the reaction mixture taken from the 90 refractory containers is filled into the drum of a roller mixer, where it is homogenized over a period of 2 hours with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls.
Eine Probe der homogenisierten Reaktionsmischung wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 95,0 Ma.-% aus SiC, 1 ,4 Ma.-% SiÜ2 und 3,1 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind weitere Verunreinigungen, wie Eisen. Dem Pulver werden 3,77 Ma-% des gleichen Quarzsandes, wie als Ausgangsstoff eingesetzt, zugesetzt; entsprechend der stöchiometrischen Reaktion zu SiC, und im Rollenmischer weitere 2 h trocken gemischt. Danach wird die Reaktionsmischung entnommen und die Mahlkugeln abgetrennt. Die Reindichte der Mischung wird gaspyknometrisch zu 3,03 g/cm3 bestimmt. A sample of the homogenized reaction mixture is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, and DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 95.0 wt.% SiC, 1.4 wt.% SiO2, and 3.1 wt.% C-free. The remainder consists of other impurities such as iron. 3.77 wt.% of the same quartz sand as used as the starting material is added to the powder; corresponding to the stoichiometric reaction to SiC, and dry-mixed in a roller mixer for a further 2 h. The reaction mixture is then removed, and the grinding balls are separated. The true density of the mixture is determined by gas pycnometric analysis to be 3.03 g/ cm3 .
4,9 kg der Mischung werden in einen zweiten quaderförmigen feuerfesten Behälter aus Grafit mit Länge 300 mm, Breite 200 mm und Höhe 100 mm mit Wandstärke von 10 mm auf einem Vibrationstisch eingefüllt, so dass sich eine Füllhöhe der Reaktionsmischung von 76 mm ergibt, entsprechend einem Füllvolumen von 3830 cm3. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,58. Der gefüllte zweite feuerfeste Behälter wird in einen zweiten widerstandsbeheizten Schubofen eingeschleust und dort einer Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 2350 °C bei 30 min Verweilzeit unter Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt, und nach Durchlaufen der Abkühlstrecke ausgeschleust. Das geringfügig versinterte, aber leicht zu vereinzelnde Pulver wird aus dem zweiten feuerfesten Behälter entnommen. Die mittels Wägung bestimmte Menge des entnommenen Pulvers beträgt 4660 g- 4.9 kg of the mixture are poured into a second cuboid graphite refractory container measuring 300 mm long, 200 mm wide, and 100 mm high with a wall thickness of 10 mm on a vibrating table, resulting in a reaction mixture filling height of 76 mm, corresponding to a filling volume of 3830 cm³ . This results in a bulk porosity of 0.58. The filled second refractory container is transferred to a second resistance-heated pusher furnace, where it is heat-treated at a maximum temperature of 2350 °C with a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere. After passing through the cooling section, the container is discharged. The slightly sintered, but easily separated powder is removed from the second refractory container. The amount of powder removed, determined by weighing, is 4660 g.
Im folgenden werden weitere 119 baugleiche zweite feuerfeste Behälter aus Grafit mit der gleichen Menge an Reaktionsmischung auf eine Füllhöhe von 76 mm gebracht und nacheinander einer gleichen Wärmebehandlung bei einer Maximaltemperatur von 2350 °C bei einer Verweilzeit von 30 min unter Stickstoffatmosphäre in dem Durchlaufofen unterzogen. Das aus den insgesamt 120 zweiten feuerfesten Behältern entnommene Pulver wird in einen Taumelmischer gefüllt, und dort unter Zugabe von SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm über einen Zeitraum von 1 h homogenisiert. In the following, another 119 identical second refractory containers made of graphite are filled with the same amount of reaction mixture to a filling height of 76 mm and are subjected to the same heat treatment at a maximum temperature of 2350 °C at a residence time of 30 minutes under a nitrogen atmosphere in the continuous furnace. The powder taken from the 120 second refractory containers is poured into a tumbler mixer, where it is homogenized with the addition of 5 mm diameter SiC grinding balls over a period of 1 hour.
Das Pulver wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 99,3 Ma.-% aus SiC, 0,1 Ma.-% SiÜ2 und 0,2 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind geringe Verunreinigungen, wie Eisen, freies Silicium, Aluminium und weitere Elemente in Spuren. Die röntgenografische Analyse ergibt einen SiC-Anteil von 100 % Polytypen der Alpha-Modifikation, überwiegend des 6H-Polytypen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen ergeben eine mittlere Kristallitgröße von ca. 120 pm. Die SiC-Partikel liegen überwiegend als vereinzelte, isometrische und kongruente Partikeln in überwiegend kubischer Partikelform mit einer mittleren Rundheit von 0,7 vor. Die gaspyknometrisch bestimmte Rohdichte des Pulvers beträgt 3,12 g/cm3. Im Anschliff sind nahezu keine geschlossenen Poren in den Partikeln festgestellt worden. The powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 99.3 wt.% SiC, 0.1 wt.% SiO2 and 0.2 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, free silicon, aluminum and other elements in trace amounts. X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron microscopy images show an average crystallite size of approximately 120 pm. The SiC particles are predominantly isolated, isometric and congruent particles in a predominantly cubic shape with an average roundness of 0.7. The bulk density of the powder determined by gas pycnometric analysis is 3.12 g/ cm3 . In the polished section, almost no closed pores were found in the particles.
Bei Probenahmen aus verschiedenen Bereichen des zweiten feuerfesten Behälters (oben/Mitte, unten/Rand) ergeben sich sehr geringe Abweichungen von <0,1 Ma.-% hinsichtlich der Zusammensetzung. Sowohl die röntgenographische Analyse, als auch die REM-Untersuchungen zeigen keine Unterschiede im Polytypengehalt und in der mittleren Kristallitgröße. Sampling from different areas of the second refractory vessel (top/middle, bottom/edge) revealed very small compositional deviations of <0.1 wt.%. Both X-ray analysis and SEM investigations show no differences in polytype content or mean crystallite size.
Beispiel 2 Example 2
1450 g Quarzsand (SiO2-Gehalt 98 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 2,65 g/cm3, Partikelgröße dgs = 0,8 mm wobei maximal 10 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen) und 970 g kalzinierter Petrolkoks (Kohlenstoffgehalt 98 Ma.-%, gaspyknometrisch bestimmte Reindichte 2,1 g/cm3, Partikelgröße dgs = 1 mm, wobei maximal 5 % der Partikel eine Partikelgröße von <45 pm aufweisen), werden trocken in einem Taumelmischer für 4 h gemischt. Die Reindichte der Mischung beträgt 2,4 g/cm3. 1320 g der Mischung werden in drei Schichten je 440 g in einen ersten zylindrischen feuerfesten Behälter aus Grafit mit Wandstärke von 5 mm, einem Innendurchmesser 185 mm und einer inneren Höhe von 50 mm jeweils mittels leichten manuellen Anpressens eingefüllt, so dass sich eine Füllhöhe der Pulverfüllung von 35 mm ergibt, entsprechend einem Füllvolumen von 940 cm3. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,42. Die Oberfläche der Pulverfüllung wird gleichmäßig mit 30 g eines Acetylenrußes (Kohlenstoffgehalt 99,9 Ma.-%) abgedeckt, in dem dieser mit einem Sieb aufgestreut und danach leicht angedrückt wird. Die Gesamtmenge an Kohlenstoff (Summe aus Petrolkoks und Ruß) in der Mischung beträgt somit 1000 g. Damit beträgt das Si : C -Verhältnis: 40,4 zu 59,6. 1450 g of quartz sand (SiO2 content 98 wt. %, gas pycnometrically determined true density 2.65 g/cm 3 , particle size dgs = 0.8 mm, with a maximum of 10% of the particles having a particle size of <45 pm) and 970 g of calcined petroleum coke (carbon content 98 wt. %, gas pycnometrically determined true density 2.1 g/cm 3 , particle size dgs = 1 mm, with a maximum of 5% of the particles having a particle size of <45 pm) are mixed dry in a tumble mixer for 4 h. The true density of the mixture is 2.4 g/cm 3 . 1320 g of the mixture are filled in three layers of 440 g each into a first cylindrical refractory graphite container with a wall thickness of 5 mm, an inner diameter of 185 mm and an inner height of 50 mm, each by light manual pressing, so that the powder filling height is 35 mm, corresponding to a filling volume of 940 cm 3 . This results in a corresponding aggregate porosity of 0.42. The surface of the powder filling is evenly covered with 30 g of acetylene black (carbon content 99.9 wt%), in This is sprinkled on with a sieve and then lightly pressed down. The total amount of carbon (the sum of petroleum coke and soot) in the mixture is thus 1000 g. The Si:C ratio is thus 40.4 to 59.6.
Der gefüllte erste feuerfeste Behälter wird in einem widerstandsbeheizten Ofen bei 1600 °C bei 5 h Haltezeit unter Argonatmosphäre wärmebehandelt, im Ofen abgekühlt und das geringfügig versinterte, aber leicht zu vereinzelnde Pulver als Reaktionsmischung aus dem ersten feuerfesten Behälter entnommen. Die mittels Wägung bestimmte Menge des entnommenen Pulvers beträgt 554 g. The filled first refractory container is heat-treated in a resistance-heated furnace at 1600 °C for 5 hours under an argon atmosphere, cooled in the furnace, and the slightly sintered but easily separated powder is removed from the first refractory container as a reaction mixture. The amount of powder removed, determined by weighing, is 554 g.
Das Pulver der Reaktionsmischung wird in einem Taumelmischer 2 h trocken behandelt, wobei 20 SiC-Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm zugegeben werden. The powder of the reaction mixture is treated dry in a tumbler mixer for 2 h, during which 20 SiC grinding balls with a diameter of 5 mm are added.
Eine Probe des gemahlenen Pulvers wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 94,1 Ma.-% aus SiC, 1 ,1 Ma.-% SiÜ2 und 4,2 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind weitere Verunreinigungen, wie Eisen. Dem Pulver werden 8,3 Ma-% Siliciumpulver (Si-Gehalt 98 Ma.-%, dgs = 150 pm) zugesetzt; entsprechend der stöchiometrischen Reaktion zu SiC, und im Taumelmischer weitere 2 h trocken gemischt. Danach wird das Pulver entnommen und die Mahlkugeln abgetrennt. Die Reindichte der Mischung wird gaspyknometrisch zu 2,93 g/cm3 bestimmt. A sample of the ground powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, and DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 94.1 wt.% SiC, 1.1 wt.% SiO2, and 4.2 wt.% C-free. The remainder consists of other impurities such as iron. 8.3 wt.% silicon powder (Si content 98 wt.%, dgs = 150 pm) is added to the powder; corresponding to the stoichiometric reaction to SiC, and dry-mixed in a tumbler mixer for a further 2 h. The powder is then removed, and the grinding balls are separated. The true density of the mixture is determined by gas pycnometric analysis to be 2.93 g/ cm3 .
560 g dieser Mischung wird erneut in den ersten feuerfesten Behälter, der als zweiter feuerfester Behälter dient, auf einem Rütteltisch eingefüllt bis zu einer Höhe von 18 mm, entsprechend einem Volumen von 484 cm3. Entsprechend ergibt sich eine Haufwerksporosität von 0,60. Der gefüllte zweite feuerfeste Behälter wird in einem widerstandsbeheizten Ofen bei 2450 °C bei 3 h Haltezeit unter Argonatmosphäre wärmebehandelt, im Ofen abgekühlt und das geringfügig versinterte, aber leicht zu vereinzelnde Pulver aus dem zweiten feuerfesten Behälter entnommen. 560 g of this mixture is refilled into the first refractory container, which serves as the second refractory container, on a vibrating table to a height of 18 mm, corresponding to a volume of 484 cm³ . This results in a bulk porosity of 0.60. The filled second refractory container is heat-treated in a resistance-heated furnace at 2450 °C for 3 hours under an argon atmosphere, cooled in the furnace, and the slightly sintered but easily separated powder is removed from the second refractory container.
Die mittels Wägung bestimmte Menge des entnommenen Pulvers beträgt 526 g. Das Pulver wird mittels FEPA Standard 45-1 :2011 , DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Teil 1-3 analysiert und besteht zu 99,4 Ma.-% aus SiC, 0,1 Ma.-% Sifrei und 0,1 Ma.-% Cfrei. Der Rest sind geringe Verunreinigungen, wie Eisen, Aluminium und weitere Elemente in Spuren. Die röntgenografische Analyse ergibt einen SiC-Anteil von 100 % Polytypen der Alpha-Modifikation, überwiegend des 6H-Polytypen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen ergeben eine mittlere Kristallitgröße von ca. 400 pm. Die SiC-Partikel liegen überwiegend als vereinzelte, isometrische und kongruente Partikeln in überwiegend kubischer Partikelform mit überwiegend abgerundeten Kanten und mit einer mittleren Rundheit von 0,6 vor. Die gaspyknometrisch bestimmte Rohdichte des Pulvers beträgt 3,18 g/cm3. Im Anschliff sind nahezu keine geschlossenen Poren in den Partikeln festgestellt worden. The quantity of powder taken, determined by weighing, is 526 g. The powder is analyzed according to FEPA Standard 45-1:2011, DIN EN ISO 9286:2023-10, DIN EN ISO 21068:2024 Part 1-3 and consists of 99.4 wt.% SiC, 0.1 wt.% Si-free, and 0.1 wt.% C-free. The remainder consists of minor impurities such as iron, aluminum, and other elements in trace amounts. X-ray analysis shows a SiC content of 100% polytypes of the alpha modification, predominantly of the 6H polytype. Scanning electron micrographs show an average crystallite size of approximately 400 pm. The SiC particles are predominantly isolated, isometric, and congruent particles in a predominantly cubic shape with predominantly rounded edges and an average circularity of 0.6. The bulk density of the powder, determined by gas pycnometric analysis, is 3.18 g/cm 3 . The polished section shows almost no closed pores in the particles.
Bei Probenahmen aus verschiedenen Bereichen des Tiegels (oben/Tiegelmitte, unten/Tiegelrand) ergeben sich sehr geringe Abweichungen von <0,1 Ma.-% hinsichtlich der Zusammensetzung. Sowohl die röntgenographische Analyse, als auch die REM- Untersuchungen zeigen keine Unterschiede im Polytypengehalt und in der mittleren Kristallitgröße. Sampling from different areas of the crucible (top/center of the crucible, bottom/rim of the crucible) reveals very small deviations of <0.1 wt.% in composition. Both X-ray analysis and SEM investigations show no differences in polytype content or average crystallite size.
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Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE76629C (en) | E. G. ACHESON in Monongahela City, V. St. A | Process for the preparation of a crystalline carbon silicon compound | ||
| DE85197C (en) | ||||
| US2178773A (en) | 1935-11-13 | 1939-11-07 | Carborundum Co | Silicon carbide and manufacture thereof |
| US2729542A (en) | 1953-10-09 | 1956-01-03 | Norton Co | Synthesis of silicon carbide |
| DE1186447B (en) | 1961-04-29 | 1965-02-04 | Consortium Elektrochem Ind | Process for the production of silicon carbide |
| US4368181A (en) * | 1979-12-14 | 1983-01-11 | Hiroshige Suzuki | Method of producing β-silicon carbide |
| GB2162504A (en) * | 1984-07-17 | 1986-02-05 | Nippon Light Metal Co | Process and continuous reaction furnace for production of beta -type silicon carbide whiskers |
| GB2220409A (en) * | 1988-04-26 | 1990-01-10 | Central Glass Co Ltd | Beta-silicon carbide powder for sintering and method of preparing same |
| WO1995033683A1 (en) | 1994-06-06 | 1995-12-14 | Norton As | Process for producing silicon carbide |
| DE19727115A1 (en) * | 1996-07-01 | 1998-01-08 | Fraunhofer Ges Forschung | Porous silicon carbide ceramic production |
| WO2015036371A1 (en) * | 2013-09-14 | 2015-03-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for recycling powdery silicon carbide waste products |
| US20230073241A1 (en) * | 2020-01-31 | 2023-03-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for separating impurities from silicon carbide, and temperature-treated and purified silicon carbide powder |
| US20230234854A1 (en) * | 2022-01-25 | 2023-07-27 | Ionobell, Inc. | Silica material and method of manufacture and silicon derived therefrom |
| WO2023217706A1 (en) * | 2022-05-09 | 2023-11-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Silicon carbide grit and method for producing same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100477949B1 (en) * | 2001-09-14 | 2005-03-18 | 주식회사 엘지화학 | SPHERICAL SiC-BASED PARTICLES AND METHODS FOR PREPARING THE SAME |
| DE102008064642A1 (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-01 | Evonik Degussa Gmbh | A composition or kit for a process for producing high purity silicon carbide from carbohydrates and silica and articles based thereon |
| WO2017217378A1 (en) * | 2016-06-13 | 2017-12-21 | 帝人株式会社 | Silicon carbide production method and silicon carbide composite material |
-
2024
- 2024-04-18 DE DE102024110950.5A patent/DE102024110950A1/en active Pending
-
2025
- 2025-04-11 WO PCT/EP2025/060095 patent/WO2025219273A1/en active Pending
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE85197C (en) | ||||
| DE76629C (en) | E. G. ACHESON in Monongahela City, V. St. A | Process for the preparation of a crystalline carbon silicon compound | ||
| US2178773A (en) | 1935-11-13 | 1939-11-07 | Carborundum Co | Silicon carbide and manufacture thereof |
| US2729542A (en) | 1953-10-09 | 1956-01-03 | Norton Co | Synthesis of silicon carbide |
| DE1186447B (en) | 1961-04-29 | 1965-02-04 | Consortium Elektrochem Ind | Process for the production of silicon carbide |
| DE3050136C2 (en) | 1979-12-14 | 1986-12-18 | Hiroshige Tokio/Tokyo Suzuki | Method of producing beta silicon carbide |
| US4368181A (en) * | 1979-12-14 | 1983-01-11 | Hiroshige Suzuki | Method of producing β-silicon carbide |
| GB2162504A (en) * | 1984-07-17 | 1986-02-05 | Nippon Light Metal Co | Process and continuous reaction furnace for production of beta -type silicon carbide whiskers |
| GB2220409A (en) * | 1988-04-26 | 1990-01-10 | Central Glass Co Ltd | Beta-silicon carbide powder for sintering and method of preparing same |
| WO1995033683A1 (en) | 1994-06-06 | 1995-12-14 | Norton As | Process for producing silicon carbide |
| DE19727115A1 (en) * | 1996-07-01 | 1998-01-08 | Fraunhofer Ges Forschung | Porous silicon carbide ceramic production |
| WO2015036371A1 (en) * | 2013-09-14 | 2015-03-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for recycling powdery silicon carbide waste products |
| US20230073241A1 (en) * | 2020-01-31 | 2023-03-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for separating impurities from silicon carbide, and temperature-treated and purified silicon carbide powder |
| US20230234854A1 (en) * | 2022-01-25 | 2023-07-27 | Ionobell, Inc. | Silica material and method of manufacture and silicon derived therefrom |
| WO2023217706A1 (en) * | 2022-05-09 | 2023-11-16 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Silicon carbide grit and method for producing same |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| E.G. ACHESON: "Carborundum: Its history, manufacture and uses", vol. 136, 1893, J. OF THE FRANKLIN INSTITUTE, pages: 194 - 203 |
| E.H.P. WECHTFEUERFEST-SILICIUMCARBID: "Applied Mineralogy", vol. 11, 1977, SPRINGER-VERLAG |
| J.C. MCMULLEN, J. ELECTROCHEM. SOC., vol. 104, 1957, pages 462 - 465 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102024110950A1 (en) | 2025-10-23 |
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