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JP2018002502A - Manufacturing method of silicon carbide powder - Google Patents

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JP2018002502A JP2016127746A JP2016127746A JP2018002502A JP 2018002502 A JP2018002502 A JP 2018002502A JP 2016127746 A JP2016127746 A JP 2016127746A JP 2016127746 A JP2016127746 A JP 2016127746A JP 2018002502 A JP2018002502 A JP 2018002502A
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賢太 増田
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潔 野中
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弘徳 石田
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Abstract

【課題】不純物を効率良く除去でき、高純度の炭化ケイ素粉末を製造可能な製造方法を提供する。【解決手段】空隙率が10〜50%のアモルファスの多孔質シリカを、アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬して塩化物含有アモルファスシリカを得る第1工程、及び塩化物含有アモルファスシリカと、炭素質原料とを混合し、加熱する第2工程、を含み、第1工程において、アモルファスの多孔質シリカ中の塩素が下記式(1)で表される塩素含有量以上となるようにアルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬する炭化ケイ素粉末の製造方法である。【数1】[C:多孔質シリカ中における、特定の金属不純物元素であって、含有量が多い順に上位所定順位までの元素それぞれの含有量(mg/kg)、k:各金属不純物元素の塩化物中における金属不純物元素に対する塩素の質量比]【選択図】なしPROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method capable of efficiently removing impurities and capable of manufacturing high-purity silicon carbide powder. SOLUTION: A first step of obtaining chloride-containing amorphous silica by immersing amorphous porous silica having a porosity of 10 to 50% in an aqueous solution of chloride of an alkali metal or hydrochloric acid, and chloride-containing amorphous silica, A second step of mixing with a carbonaceous raw material and heating, and in the first step, the alkali metal is adjusted so that chlorine in the amorphous porous silica has a chlorine content represented by the following formula (1) or more. The method for producing a silicon carbide powder by immersing it in an aqueous chloride solution or hydrochloric acid. ##EQU1## [C: the content (mg/kg) of each specific metal impurity element in the porous silica, in the order of increasing content, up to a predetermined rank, k: of each metal impurity element Mass ratio of chlorine to metal impurity elements in chloride] [Selection diagram] None

Description

本発明は、炭化ケイ素粉末の製造方法に関し、具体的には、パワー半導体などの電子材料の原料に適用可能な高純度の炭化ケイ素粉末を得る製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing silicon carbide powder, and more specifically to a production method for obtaining high-purity silicon carbide powder applicable to raw materials for electronic materials such as power semiconductors.

炭化ケイ素(SiC)は研磨・研削材、セラミックス焼結体及び導電性材料等の工業用材料として従来から幅広く使用されている。特に、最近では、省エネルギー志向の強まりや脱原発による自然再生エネルギーの活用への期待等の社会的背景により、パワー半導体等に用いられる単結晶材料として、高純度の炭化ケイ素が求められている。   Silicon carbide (SiC) has been widely used as industrial materials such as polishing / grinding materials, ceramic sintered bodies, and conductive materials. In particular, recently, high-purity silicon carbide has been demanded as a single crystal material used for power semiconductors and the like due to social backgrounds such as an increase in energy saving orientation and the expectation for utilization of natural regenerative energy by denuclearization.

炭化ケイ素を工業的に量産する技術としては、ケイ素(Si)を含むケイ酸質原料(例えば硅砂)と炭素(C)を含む炭素質原料(例えば石油コークス)を原料とし、アチソン炉において1600℃以上で加熱することで、直接還元反応によって炭化ケイ素を製造する方法が知られている。この従来から行なわれているアチソン炉による製造では、原料中の不純物含有量が高く、不純物の制御が難しいため、高純度の炭化ケイ素を製造することはできなかった。   As a technique for industrially mass-producing silicon carbide, a siliceous raw material containing silicon (Si) (for example, cinnabar) and a carbonaceous raw material containing carbon (C) (for example, petroleum coke) are used as raw materials, and 1600 ° C. in an Atchison furnace. A method for producing silicon carbide by direct reduction reaction by heating as described above is known. In the conventional production using the Atchison furnace, the impurity content in the raw material is high, and it is difficult to control the impurities, so that high-purity silicon carbide cannot be produced.

そこで、炭化ケイ素粉末の不純物を除去する技術として、酸で除去する技術や塩化ナトリウムなどのアルカリ金属の塩化物を添加する技術が知られている。酸で除去する技術は、フッ酸と硝酸を一定の割合で混合した混酸に、炭化ケイ素粉末を浸漬させることで、酸に不純物を溶解して除去する技術である(例えば、特許文献1参照)。不純物を酸に溶解させるため、不純物が酸に接触する必要がある。このため、本技術は、炭化ケイ素の粒子表面に存在する不純物を除去することはできるが、粒子内部に取りこまれた不純物を除去することはできず、十分に純化することができない。   Therefore, as a technique for removing impurities from the silicon carbide powder, a technique for removing with an acid and a technique for adding an alkali metal chloride such as sodium chloride are known. The technology for removing with acid is a technology for dissolving and removing impurities in acid by immersing silicon carbide powder in a mixed acid in which hydrofluoric acid and nitric acid are mixed at a certain ratio (see, for example, Patent Document 1). . In order to dissolve the impurity in the acid, the impurity needs to contact the acid. For this reason, although this technique can remove the impurity which exists in the particle | grain surface of a silicon carbide, the impurity taken in the inside of a particle | grain cannot be removed, and it cannot fully refine.

一方、塩化ナトリウムなどの塩化物を添加する技術は、塩化物から発生する塩素ガスにより、炭化ケイ素の原料であるシリカやカーボンに含まれる不純物元素の塩化物を生成させ、この塩化物を揮散させることで、炭化ケイ素中の不純物量を低減する技術である(例えば、非特許文献1参照)。本技術において、塩化物の添加量は、原料中の不純物量に応じて決定される。純度の高い炭化ケイ素を得るには、大量の塩化物が必要であり、その結果大量の塩素ガスを発生させ、作業環境的に問題があるため、塩化物の添加量が限定的となり、純度の低減に限界があった。   On the other hand, the technique of adding chlorides such as sodium chloride is to generate chlorides of impurity elements contained in silica and carbon, which are raw materials of silicon carbide, using chlorine gas generated from chlorides, and volatilize these chlorides. This is a technique for reducing the amount of impurities in silicon carbide (see, for example, Non-Patent Document 1). In the present technology, the amount of chloride added is determined according to the amount of impurities in the raw material. In order to obtain silicon carbide with high purity, a large amount of chloride is required. As a result, a large amount of chlorine gas is generated, and there is a problem in the working environment. There was a limit to reduction.

一方、近年において、パワー半導体の高性能化に伴い、炭化ケイ素粉末の更なる高純度化が要求されている。そこで、更に高純度の炭化ケイ素を製造する方法として、シリカとカーボンの混合物を含む固形分と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物を含む水溶液を混合し、得られた混合物に対して固液分離を行い、得られた固形分(シリカとカーボンの混合物、及びアルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物を含むもの)を加熱するといった製造方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この製造方法によると、従来よりも高純度の炭化ケイ素粉末が得られる。   On the other hand, in recent years, with higher performance of power semiconductors, there has been a demand for higher purity of silicon carbide powder. Therefore, as a method for producing silicon carbide of higher purity, a solid content containing a mixture of silica and carbon is mixed with an aqueous solution containing an alkali metal or alkaline earth metal chloride, and the resulting mixture is solidified. There has been proposed a production method in which liquid separation is performed and the obtained solid content (containing a mixture of silica and carbon and an alkali metal or alkaline earth metal chloride) is heated (for example, see Patent Document 2). ). According to this manufacturing method, silicon carbide powder having a higher purity than that of the prior art can be obtained.

特開2000−281328号公報JP 2000-281328 A 特開2014−125407号公報JP 2014-125407 A

日本学術振興会高温セラミックス材料第124委員会編、「SiC系セラミックス新材料 最近の展開」、(株)内田老鶴圃、2001年2月28日、p121Japan Society for the Promotion of Science, High Temperature Ceramics Material 124th Committee, “Recent Developments of New SiC-Based Ceramic Materials”, Uchida Otsukuraku, February 28, 2001, p121

しかしながら、特許文献2に記載の製造方法では、シリカより吸着能が高いカーボンが介在し、塩化物を均一に存在させることができず、その結果、塩化物の添加量を増やさざるを得ず、上記問題の解決には至らなかった。塩化物の代わりに塩酸を添加した場合も同様である。   However, in the production method described in Patent Document 2, carbon having higher adsorption ability than silica is interposed, and the chloride cannot be uniformly present. As a result, the amount of chloride added must be increased, The above problem was not solved. The same applies when hydrochloric acid is added instead of chloride.

そこで、本発明の目的は、アルカリ金属の塩化物又は塩酸の添加により炭化ケイ素粉末の不純物を除去する工程を含む炭化ケイ素粉末の製造方法において、塩化物又は塩酸の添加量が少量であっても、不純物を効率良く除去でき、高純度の炭化ケイ素粉末を製造可能な製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing silicon carbide powder including a step of removing impurities of silicon carbide powder by addition of alkali metal chloride or hydrochloric acid, even if the addition amount of chloride or hydrochloric acid is small. An object of the present invention is to provide a production method capable of efficiently removing impurities and producing a high-purity silicon carbide powder.

本発明の炭化ケイ素粉末の製造方法は、空隙率が10〜50%のアモルファスの多孔質シリカを、アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬して塩化物含有アモルファスシリカを得る第1工程、及び
前記塩化物含有アモルファスシリカと、炭素質原料とを混合し、加熱する第2工程、を含み、
前記第1工程において、アモルファスの多孔質シリカ中の塩素が下記式(1)で表される塩素含有量以上となるように前記アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬することを特徴とする。
The method for producing silicon carbide powder of the present invention includes a first step of immersing amorphous porous silica having a porosity of 10 to 50% in an alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid to obtain chloride-containing amorphous silica, and A second step of mixing and heating the chloride-containing amorphous silica and the carbonaceous raw material,
In the first step, the amorphous porous silica is immersed in the alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid so that the chlorine content is not less than the chlorine content represented by the following formula (1).

[ただし、Cは、前記アモルファスの多孔質シリカ中における、第3周期〜第4周期であり、かつ2(2A族)〜13(3B)族の金属不純物元素であって、含有量が多い順に上位所定順位までの元素それぞれの含有量(mg/kg)を示し、kは、前記各金属不純物元素の塩化物中における金属不純物元素に対する塩素の質量比を示し、Σは、前記金属不純物元素の各kCの値を加算することを示す。]
ここで、第3周期、第4周期、2(2A族)、13(3B)族は、長周期型周期表における周期、族である。
[However, C is a metal impurity element of the 3rd to 4th periods and 2 (2A group)-13 (3B) group in the said amorphous porous silica, Comprising: The content (mg / kg) of each element up to the upper predetermined order is shown, k is the mass ratio of chlorine to the metal impurity element in the chloride of each metal impurity element, Σ is the content of the metal impurity element Indicates that the values of each kC are added. ]
Here, the third period, the fourth period, the 2 (2A group), and the 13 (3B) group are periods and groups in the long-period periodic table.

本発明の炭化ケイ素粉末の製造方法においては、所定の空隙率のアモルファスの多孔質シリカを用いるため、その内部の空隙に塩化物又は塩酸を含浸させることができ、原料中に均一に塩化物又は塩酸を分散させることができる。そのため、微量の塩化物又は塩酸でも効果的に不純物を除去することができる。また、塩化物又は塩酸が微量であることから、それらに起因する多量の白煙を抑えることができ、環境にも配慮した焼成が可能となる。さらに、カーボン含有シリカに塩化ナトリウムを混合するといった特開2014−125407号公報に記載の発明とは異なり、シリカより吸着能が高いカーボンが介在しないため、塩化物又は塩酸がシリカ粒子に均一に存在するようになり、上記公報に記載の発明よりもさらに少量で効果を発揮する。   In the method for producing silicon carbide powder of the present invention, amorphous porous silica having a predetermined porosity is used, so that the internal voids can be impregnated with chloride or hydrochloric acid, and chloride or hydrochloric acid can be uniformly introduced into the raw material. Hydrochloric acid can be dispersed. Therefore, impurities can be effectively removed even with a small amount of chloride or hydrochloric acid. In addition, since the amount of chloride or hydrochloric acid is very small, a large amount of white smoke resulting from them can be suppressed, and firing in consideration of the environment becomes possible. Furthermore, unlike the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-125407, in which sodium chloride is mixed with carbon-containing silica, there is no carbon having higher adsorption capacity than silica, so that chloride or hydrochloric acid is uniformly present in the silica particles. As a result, the effect is exhibited even in a smaller amount than the invention described in the above publication.

本発明の炭化ケイ素粉末の製造方法は、空隙率が10〜50%のアモルファスの多孔質シリカを、アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬して塩化物含有アモルファスシリカを得る第1工程、及び前記塩化物含有アモルファスシリカと、炭素質原料とを混合し、加熱する第2工程、を含み、前記第1工程において、アモルファスの多孔質シリカ中の塩素が下記式(1)で表される塩素含有量以上となるように前記アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬することを特徴とする。   The method for producing silicon carbide powder of the present invention includes a first step of immersing amorphous porous silica having a porosity of 10 to 50% in an alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid to obtain chloride-containing amorphous silica, and A second step of mixing and heating the chloride-containing amorphous silica and a carbonaceous raw material, wherein the chlorine in the amorphous porous silica is represented by the following formula (1) in the first step: It is characterized by immersing in the alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid so as to be more than the content.

式(1)中、Cは、前記アモルファスの多孔質シリカ中における、第3周期〜第4周期であり、かつ2(2A族)〜13(3B)族の金属不純物元素であって、含有量が多い順に上位所定順位までの元素それぞれの含有量(mg/kg)を示し、kは、前記各金属不純物元素の塩化物中における金属不純物元素に対する塩素の質量比を示し、Σは、前記金属不純物元素の各kCの値を加算することを示す。
以下に、本発明の製造方法の各工程について説明する。
In the formula (1), C is a metal impurity element in the third period to the fourth period and in the 2 (group 2A) to group 13 (3B) group in the amorphous porous silica, Indicates the content (mg / kg) of each element up to the upper predetermined order in the descending order, k indicates the mass ratio of chlorine to the metal impurity element in the chloride of each metal impurity element, and Σ indicates the metal It shows that the value of each kC of the impurity element is added.
Below, each process of the manufacturing method of this invention is demonstrated.

[第1工程]
第1工程においては、空隙率が10〜50%のアモルファスの多孔質シリカ(以下、単に「多孔質シリカ」とも呼ぶ。)をアルカリ金属の塩化物水溶液(以下、単に「塩化物水溶液」とも呼ぶ。)又は塩酸に浸漬して塩化物含有アモルファスシリカを得る。まず、本工程で用いる各成分について説明する。
[First step]
In the first step, an amorphous porous silica having a porosity of 10 to 50% (hereinafter also simply referred to as “porous silica”) is also referred to as an alkali metal chloride aqueous solution (hereinafter simply referred to as “chloride aqueous solution”). Or soaking in hydrochloric acid to obtain chloride-containing amorphous silica. First, each component used in this step will be described.

(アモルファスの多孔質シリカ)
アモルファスの多孔質シリカは、空隙率が10〜50%のものを用いる。空隙率が10〜50%のものを用いることで、当該空隙に十分な量の塩化物水溶液又は塩酸を含浸させることができ、原料中に塩化物などを均一に分散させることができる。ひいては、塩化物水溶液などが微量であっても不純物を十分に除去することができる。多孔質シリカの空隙率が10%未満では含浸させられる塩化物水溶液又は塩酸の量が少なくなり、結果として炭化ケイ素の不純物除去効果が得られなくなる。50%を超えると塩化物水溶液の量が多くなり、所定量以上の塩化物水溶液などが含浸されてしまい、作業環境の悪化を招く。当該空隙率は、12.5〜40%が好ましく、15〜35%がより好ましい。
(Amorphous porous silica)
Amorphous porous silica having a porosity of 10 to 50% is used. By using one having a porosity of 10 to 50%, a sufficient amount of an aqueous chloride solution or hydrochloric acid can be impregnated in the void, and chloride and the like can be uniformly dispersed in the raw material. As a result, impurities can be sufficiently removed even with a very small amount of chloride aqueous solution. When the porosity of the porous silica is less than 10%, the amount of the chloride aqueous solution or hydrochloric acid to be impregnated becomes small, and as a result, the impurity removal effect of silicon carbide cannot be obtained. If it exceeds 50%, the amount of the chloride aqueous solution increases, and a predetermined amount or more of the chloride aqueous solution or the like is impregnated, leading to deterioration of the working environment. The porosity is preferably 12.5 to 40%, and more preferably 15 to 35%.

多孔質シリカのBET比表面積は400〜50000cm/gが好ましく、600〜25000cm/gであることがより好ましい。当該BET比表面積が400〜50000cm/gであると、多孔質シリカ内部の空隙が微細であるため、塩化物水溶液などを多孔質シリカ内部に効果的かつ均一に含浸させることができる。 BET specific surface area of porous silica is preferably 400~50000cm 2 / g, more preferably 600~25000cm 2 / g. When the BET specific surface area is 400 to 50000 cm 2 / g, since the voids in the porous silica are fine, an aqueous chloride solution or the like can be effectively and uniformly impregnated in the porous silica.

(アルカリ金属の塩化物の水溶液又は塩酸)
アルカリ金属の塩化物としては、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、が挙げられ、中でも、塩化ナトリウム、塩化カリウムを用いることが好ましい。これら塩化物水溶液又は塩酸に多孔質シリカを浸漬すると、当該多孔質シリカの空隙に塩化物水溶液又は塩酸が含浸する。
(Alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid)
Examples of the alkali metal chloride include lithium chloride, sodium chloride, and potassium chloride. Among these, sodium chloride and potassium chloride are preferably used. When porous silica is immersed in these aqueous chloride solutions or hydrochloric acid, the aqueous porous chloride solution or hydrochloric acid is impregnated in the voids of the porous silica.

以上の塩化物水溶液又は塩酸は、多孔質シリカの塩素が上記式(1)により算出した塩素含有量となるように濃度や浸漬時間などの条件を調整する。このように塩化物水溶液又は塩酸を多孔質シリカに付与することにより、不純物を除去するに必要十分な量の塩化物(塩素イオン)をアモルファスの多孔質シリカの空隙に含浸させることができる。   The above chloride aqueous solution or hydrochloric acid adjusts conditions such as concentration and immersion time so that the chlorine content of the porous silica has the chlorine content calculated by the above formula (1). By applying the aqueous chloride solution or hydrochloric acid to the porous silica in this way, the amorphous porous silica voids can be impregnated with a sufficient amount of chloride (chlorine ions) to remove impurities.

上記式(1)中、Cは多孔質シリカ中における、第3周期〜第4周期であり、かつ2(2A族)〜13(3B)族の金属不純物元素であって、含有量が多い順に上位所定順位までの元素それぞれの含有量(mg/kg)である。当該金属不純物元素は、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、又はGaである。   In the above formula (1), C is the third to fourth period in the porous silica, and is a metal impurity element of 2 (2A group) to 13 (3B) group, and in descending order of content. The content (mg / kg) of each element up to the upper predetermined order. The metal impurity element is Mg, Al, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, or Ga.

上記含有量が多い順に上位所定順位までの元素それぞれの含有量(mg/kg)において、所定順位としては、10番目までとすることが好ましく、8番目までとすることがより好ましく、5番目までとすることがさらに好ましい。   In the content (mg / kg) of each of the elements up to the upper predetermined rank in order of increasing content, the predetermined rank is preferably up to 10th, more preferably up to 8th, and up to 5th. More preferably.

原料として用いる多孔質シリカ中における金属不純物元素及びその含有量が既知であれば、含有量が多い順に上位所定順位の各元素とその含有量に基づきそれぞれの含有濃度をCを求めることができる。一方、当該金属不純物元素及びその含有量が未知の場合は、多孔質シリカをフッ酸と硝酸の混酸で溶解させた後、ICP−AES分析法により測定し、含有量が多い順に上位所定順位の各元素とその含有量に基づきそれぞれの含有濃度Cを求めることができる。   If the metal impurity element and its content in the porous silica used as a raw material are known, C can be obtained for each content concentration based on each element in the upper predetermined order and its content in descending order of content. On the other hand, when the metal impurity element and the content thereof are unknown, the porous silica is dissolved with a mixed acid of hydrofluoric acid and nitric acid, and then measured by ICP-AES analysis method. Each content concentration C can be obtained based on each element and its content.

kは、各金属不純物元素を除去するに必要な塩素含有量を算出するための係数であり、前記各金属不純物元素の塩化物中における金属不純物元素に対する塩素の質量比を示す。つまり、多孔質シリカ中における所定の金属不純物元素の含有量(mg/kg)を表すCにkを乗ずることで、多孔質シリカ中の金属不純物元素を除去するに必要十分な塩素含有量(mg/kg)が算出される。   k is a coefficient for calculating the chlorine content necessary for removing each metal impurity element, and indicates the mass ratio of chlorine to the metal impurity element in the chloride of each metal impurity element. That is, the chlorine content (mg) necessary to remove the metal impurity element in the porous silica by multiplying k, which represents the content (mg / kg) of the predetermined metal impurity element in the porous silica, by k. / Kg) is calculated.

具体的には、kは、(塩素の原子量×金属不純物元素の塩化物1分子中の塩素原子数)/金属不純物元素の原子量の式で算出される。例えば、塩化アルミニウムの場合、k=35.45×3/26.98=3.94であり、塩化カルシウムの場合、k=35.45×2/40.08=1.77である。   Specifically, k is calculated by the equation: (atomic weight of chlorine × number of chlorine atoms in one molecule of chloride of metal impurity element) / atomic weight of metal impurity element. For example, in the case of aluminum chloride, k = 35.45 × 3 / 26.98 = 3.94, and in the case of calcium chloride, k = 35.45 × 2 / 40.08 = 1.77.

本発明においては、多孔質シリカ中の塩素が下記式(1)で表される塩素含有量以上となるようにアルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬するのであるが、当該多孔質シリカ中の塩素の上限は、式(1)により算出した塩素含有量の1.5倍が好ましく、1.2倍がより好ましい。1.5倍の塩素含有量を超えると、発生する塩素が増えるため環境負荷の問題が生じることがある。   In the present invention, the porous silica is immersed in an aqueous alkali metal chloride solution or hydrochloric acid so that the chlorine content in the porous silica is not less than the chlorine content represented by the following formula (1). The upper limit of chlorine is preferably 1.5 times the chlorine content calculated by the formula (1), more preferably 1.2 times. If the chlorine content exceeds 1.5 times, the amount of generated chlorine increases, which may cause environmental load problems.

本発明においては、以上のような多孔質シリカと、上記のようにして濃度が調整された塩化物水溶液又は塩酸とを準備した後、当該多孔質シリカを塩化物水溶液又は塩酸に浸漬して塩化物含有アモルファスシリカを得る。多孔質シリカを塩化物水溶液又は塩酸に浸漬する際の浸漬時間としては、1〜3時間とすることが好ましく、アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸の温度は常温(例えば、20℃)以上あればよい。   In the present invention, after preparing the porous silica as described above and the chloride aqueous solution or hydrochloric acid whose concentration is adjusted as described above, the porous silica is immersed in the chloride aqueous solution or hydrochloric acid to be chlorinated. A product-containing amorphous silica is obtained. The immersion time for immersing the porous silica in the chloride aqueous solution or hydrochloric acid is preferably 1 to 3 hours, and the alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid is at room temperature (for example, 20 ° C.) or higher. Good.

(炭素質原料)
炭素質原料としては、例えば、天然黒鉛、人工黒鉛等の結晶質カーボンや、カーボンブラック、コークス、活性炭等のアモルファスカーボンが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用される。炭素質原料の平均粒径は、焼成時の環境や原料の状態(結晶質、非晶質)、および前述の多孔質シリカとの反応性によって適宜選ばれる。
(Carbonaceous raw material)
Examples of the carbonaceous raw material include crystalline carbon such as natural graphite and artificial graphite, and amorphous carbon such as carbon black, coke, and activated carbon. These are used singly or in combination of two or more. The average particle size of the carbonaceous raw material is appropriately selected depending on the environment during firing, the state of the raw material (crystalline or amorphous), and the reactivity with the aforementioned porous silica.

[第2工程]
第2工程においては、前記塩化物含有アモルファスシリカと前記炭素質原料とを混合して、炭化ケイ素製造用の原料を調製する。この際、原料の混合方法は任意であり、湿式混合と乾式混合のいずれも採用することができる。混合の際の塩化物含有アモルファスシリカと炭素質原料の混合モル比(C/Si)は、焼成時の環境、炭化ケイ素製造用原料の粒径や反応性を考慮して、最適なものを選択する。ここでいう「最適」とは、焼成によって得られる炭化ケイ素の収量を向上させ、また、残存する未反応の塩化物含有アモルファスシリカや炭素質原料の残存量を小さくすることを意味する。
[Second step]
In the second step, the chloride-containing amorphous silica and the carbonaceous raw material are mixed to prepare a raw material for producing silicon carbide. At this time, the mixing method of the raw materials is arbitrary, and both wet mixing and dry mixing can be employed. The mixing molar ratio (C / Si) of chloride-containing amorphous silica and carbonaceous raw material during mixing is selected in consideration of the environment during firing, the particle size and reactivity of the raw material for silicon carbide production. To do. The term “optimum” as used herein means improving the yield of silicon carbide obtained by firing, and reducing the remaining amount of unreacted chloride-containing amorphous silica and carbonaceous raw material.

得られた混合粉末(炭化ケイ素製造用の原料)をアチソン炉内に投入し、2,500℃以上で焼成することによって、塊状の炭化ケイ素を得ることができる。   The obtained mixed powder (raw material for producing silicon carbide) is put into an Atchison furnace and baked at 2500 ° C. or higher to obtain bulk silicon carbide.

焼成雰囲気は、還元雰囲気であることが好ましい。還元性が弱い雰囲気下で焼成すると、炭化ケイ素の収率が低くなるからである。   The firing atmosphere is preferably a reducing atmosphere. This is because the yield of silicon carbide decreases when fired in an atmosphere with low reducing ability.

アチソン炉を用いることで、下記反応式(1)で示される反応が生じ、炭化ケイ素からなる塊状物が得られる。
SiO+3C → SiC+2CO 反応式(1)
By using the Atchison furnace, the reaction represented by the following reaction formula (1) occurs, and a lump made of silicon carbide is obtained.
SiO 2 + 3C → SiC + 2CO Reaction formula (1)

アチソン炉内の発熱体を発熱させると発熱体の近傍の原料から炭化ケイ素が生成し、外側へと成長していく。アチソン炉の中心部と外側とで炭化ケイ素の態様が異なり、中心部ほどα−SiCが多く、外側ほどβ−SiCが多い。本発明においては、当該中心部のα−SiCの割合を大きくすることができる。   When the heating element in the Atchison furnace is heated, silicon carbide is generated from the raw material in the vicinity of the heating element and grows outward. The aspect of silicon carbide is different between the central part and the outer side of the Atchison furnace. The central part has more α-SiC and the outer part has more β-SiC. In the present invention, the proportion of α-SiC in the central portion can be increased.

アチソン炉内の発熱体の種類は、電気を通すことができるものである限りにおいて、特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛粉、カーボンロッド等が挙げられる。   The type of the heating element in the Atchison furnace is not particularly limited as long as it can conduct electricity, and examples thereof include graphite powder and carbon rod.

発熱体を構成する物質の形態は、特に限定されず、例えば、粉状、塊状等が挙げられる。アチソン炉内において、発熱体は炭化ケイ素製造用原料の中心部付近に配置されることが好ましいが、成長するインゴットの形状に合わせて適宜配置することができる。例えば、発熱体は、アチソン炉の通電方向の両端に設けられた電極芯を結ぶように全体として棒状の形状になるように設けられる。ここでの棒状の形状とは、例えば、円柱状、角柱状等が挙げられる。発熱体の電気抵抗は、電源の能力に応じて決定される。   The form of the substance constituting the heating element is not particularly limited, and examples thereof include powder and lump. In the Atchison furnace, the heating element is preferably arranged near the center of the raw material for producing silicon carbide, but can be appropriately arranged according to the shape of the growing ingot. For example, the heating element is provided so as to have a rod-like shape as a whole so as to connect electrode cores provided at both ends in the energizing direction of the Atchison furnace. Examples of the rod shape here include a columnar shape and a prismatic shape. The electrical resistance of the heating element is determined according to the capability of the power source.

通電後、炉内に炭化ケイ素からなる塊状物が生成する。次いで、炉内が常温になるまで空冷を行った後、得られた炭化ケイ素からなる塊状物を粉砕する。粉砕方法は、扱いが容易なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、粉砕機としてボールミル、ディスクグラインダー等を用いて粉砕する方法が挙げられる。
最後に、所望の粒径に応じたふるいを用いて分級する。例えば、目開き2000μm、100μmのふるいを用いることで、粒径100〜2000μmの範囲に分級することができる。
After energization, a lump of silicon carbide is generated in the furnace. Next, air cooling is performed until the inside of the furnace reaches room temperature, and then the obtained mass made of silicon carbide is pulverized. The pulverization method is not particularly limited as long as it is easy to handle, and examples thereof include a method of pulverization using a ball mill, a disk grinder or the like as a pulverizer.
Finally, classification is performed using a sieve according to the desired particle size. For example, by using a sieve having an opening of 2000 μm and 100 μm, the particle size can be classified into a range of 100 to 2000 μm.

以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
水ガラス(水ガラス3号 富士化学株式会社製(SiO/NaO(モル比)=3.2))300kgを12.5vol%の硫酸(濃硫酸(98%) 辰巳産業株式会社製)1300Lに滴下し、アモルファスシリカを得た。このアモルファスシリカをさらに12.5vol%の硫酸720Lに6時間浸漬し、金属元素不純物を除去した後、工業用水3000Lで水洗した後、乾燥機にて80時間乾燥を行い、高純度のアモルファスの多孔質シリカを40kg合成した。この多孔質シリカの空隙率は15%、BET比表面積は710cm/g、化学成分は表1の通りであった。この多孔質シリカの不純物量と本発明に係る式(1)より、多孔質シリカ1kg中に塩素含有量が7.6mgとなるように2.0質量%の塩化ナトリウム水溶液(塩化ナトリウム:工業用、純度99.5% マナック株式会社製)に1時間浸漬した。浸漬後、乾燥機にて80時間乾燥して、塩化物含有アモルファスシリカを合成した。
[Example 1]
300 kg of water glass (water glass No. 3 manufactured by Fuji Chemical Co., Ltd. (SiO 2 / Na 2 O (molar ratio) = 3.2)) 12.5 vol% sulfuric acid (concentrated sulfuric acid (98%) manufactured by Sakai Sangyo Co., Ltd.) The solution was added dropwise to 1300 L to obtain amorphous silica. This amorphous silica was further immersed in 720 L of 12.5 vol% sulfuric acid for 6 hours to remove metal element impurities, washed with 3000 L of industrial water, and then dried for 80 hours in a drier to obtain high-purity amorphous porous 40 kg of silica was synthesized. The porosity of this porous silica was 15%, the BET specific surface area was 710 cm 2 / g, and the chemical composition was as shown in Table 1. From the amount of impurities of the porous silica and the formula (1) according to the present invention, a 2.0 mass% sodium chloride aqueous solution (sodium chloride: industrial use) so that the chlorine content is 7.6 mg in 1 kg of the porous silica. And 99.5% purity manufactured by Manac Co., Ltd.) for 1 hour. After dipping, the product was dried for 80 hours with a dryer to synthesize chloride-containing amorphous silica.

上記塩化物含有アモルファスシリカとアモルファスカーボン(シーストV 東海カーボン株式会社製)を質量割合で2/1となるように混合した原料と発熱体用黒鉛をアチソン炉に充填し、1500℃〜2500℃で24時間通電して、塊状の炭化ケイ素を得た。得られた炭化ケイ素の塊状物を左部位、中央部位、右部位ごとに回収してトップグラインダーで2mm以下までそれぞれ粉砕し、部位ごとの炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。   The raw material mixed with the above chloride-containing amorphous silica and amorphous carbon (manufactured by SEAST V Tokai Carbon Co., Ltd.) at a mass ratio of 2/1 and graphite for a heating element are filled in an Atchison furnace at 1500 ° C. to 2500 ° C. Energization was performed for 24 hours to obtain massive silicon carbide. The obtained silicon carbide lump was collected for each of the left part, the central part, and the right part and pulverized to 2 mm or less with a top grinder to obtain silicon carbide powder for each part. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

[実施例2]
実施例1で用いた多孔質シリカの不純物量と本発明に係る式(1)より、実施例1のアモルファスシリカ1kg中に塩素含有量が7.6mgとなるように塩酸(工業用(35wt%)東亜合成株式会社)の5質量%水溶液に1時間浸漬した。浸漬後、乾燥機にて80時間乾燥して、塩化物含有アモルファスシリカを合成した。
[Example 2]
From the amount of impurities of the porous silica used in Example 1 and the formula (1) according to the present invention, hydrochloric acid (industrial (35 wt%) is used so that the chlorine content is 7.6 mg in 1 kg of amorphous silica in Example 1. ) Toa Gosei Co., Ltd.) for 5 hours. After dipping, the product was dried for 80 hours with a dryer to synthesize chloride-containing amorphous silica.

上記塩化物含有アモルファスシリカを用いて、実施例1同様の方法で、高純度炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。   Using the chloride-containing amorphous silica, high-purity silicon carbide powder was obtained in the same manner as in Example 1. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

[実施例3]
空隙率が35%、BET比表面積が5m/gの市販アモルファスシリカ(小野田化学工業社製)を、アモルファスシリカの不純物量と本発明に係る式(1)より、アモルファスシリカ1kg中に塩素含有量が900mgとなるように25質量%の塩化ナトリウム水溶液に1時間浸漬した。浸漬後、120℃で乾燥機にて80時間乾燥させて、塩化物含有アモルファスシリカを得た。本実験で使用した市販アモルファスシリカの不純物量が上位5元素の含有濃度について表2に示す。
[Example 3]
Commercial amorphous silica (made by Onoda Chemical Industry Co., Ltd.) having a porosity of 35% and a BET specific surface area of 5 m 2 / g contains chlorine in 1 kg of amorphous silica from the amount of amorphous silica impurities and the formula (1) according to the present invention. It was immersed in a 25% by mass aqueous sodium chloride solution for 1 hour so that the amount was 900 mg. After the immersion, the product was dried at 120 ° C. with a dryer for 80 hours to obtain a chloride-containing amorphous silica. Table 2 shows the content concentrations of the top five elements in the commercially available amorphous silica used in this experiment.

この塩化物含有アモルファスシリカとアモルファスカーボンを質量割合で2/1となるように混合した原料と発熱体用黒鉛をアチソン炉に充填し、1500℃〜2500℃で24時間通電して、塊状の炭化ケイ素を得た。得られた炭化ケイ素の塊状物を左部位、中央部位、右部位ごとに回収してトップグラインダーで2mm以下まで粉砕し、炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。   A raw material in which the chloride-containing amorphous silica and amorphous carbon are mixed so as to have a mass ratio of 2/1 and graphite for a heating element are filled in an Atchison furnace and energized at 1500 ° C. to 2500 ° C. for 24 hours to form a massive carbonized carbon. Silicon was obtained. The obtained silicon carbide lump was collected for each of the left part, the central part, and the right part and pulverized to 2 mm or less with a top grinder to obtain silicon carbide powder. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

[比較例1]
実施例1で合成したアモルファスシリカ(塩化物を含まない)と、アモルファスカーボンを質量割合で2/1となるように混合した原料と、発熱体用黒鉛をアチソン炉に充填し、1500℃〜2500℃で24時間通電して、塊状の炭化ケイ素を得た。得られた炭化ケイ素の塊状物をトップグラインダーで2mm以下ケイ素粉砕し、炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。
[Comparative Example 1]
Achison furnace filled with amorphous silica (containing no chloride) synthesized in Example 1, raw material in which amorphous carbon is mixed so as to have a mass ratio of 2/1, and graphite for a heating element is filled at 1500 ° C. to 2500 ° C. Energization was conducted at 0 ° C. for 24 hours to obtain massive silicon carbide. The obtained silicon carbide lump was pulverized by 2 mm or less with a top grinder to obtain silicon carbide powder. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

[比較例2]
市販の天然シリカ粉(KCLA−2 共立マテリアル社製)を10質量%の塩化ナトリウム水溶液(塩化ナトリウム:工業用、純度99.5% マナック株式会社製)に1時間浸漬させた後、120℃で乾燥機にて80時間乾燥させた。なお、市販天然シリカの不純物濃度は表3の通りであった。得られた天然シリカを分析した結果、シリカ1kgに対し、塩素が7.6mgしか含まれず、本発明に係る式(1)より算出された目標量である塩素31.6mgを含有させることができなかった。この天然シリカとアモルファスカーボンを質量割合で2/1となるように混合した原料と発熱体用黒鉛をアチソン炉に充填し、1500℃〜2500℃で24時間通電して、塊状の炭化ケイ素を得た。得られた炭化ケイ素の塊状物を左部位、中央部位、右部位ごとに回収してトップグラインダーで2mm以下までそれぞれ粉砕し、部位ごとの炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。
[Comparative Example 2]
A commercially available natural silica powder (KCLA-2 manufactured by Kyoritsu Material Co., Ltd.) was immersed in a 10% by mass sodium chloride aqueous solution (sodium chloride: industrial use, purity 99.5% manufactured by Manac Co., Ltd.) for 1 hour, and then at 120 ° C. It was dried with a dryer for 80 hours. The impurity concentration of commercially available natural silica was as shown in Table 3. As a result of analyzing the obtained natural silica, only 7.6 mg of chlorine is contained per 1 kg of silica, and 31.6 mg of chlorine which is the target amount calculated from the formula (1) according to the present invention can be contained. There wasn't. A raw material obtained by mixing the natural silica and amorphous carbon in a mass ratio of 2/1 and graphite for a heating element are filled in an Atchison furnace, and energized at 1500 ° C. to 2500 ° C. for 24 hours to obtain massive silicon carbide. It was. The obtained silicon carbide lump was collected for each of the left part, the central part, and the right part and pulverized to 2 mm or less with a top grinder to obtain silicon carbide powder for each part. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

[比較例3]
実施例1のアモルファスシリカ1kg中に塩素含有量が5.0mgとなるように塩酸の5質量%水溶液に1時間浸漬した。浸漬後、乾燥機にて80時間乾燥して、塩化物含有アモルファスシリカを合成した。この塩化物含有アモルファスシリカを使って、比較例2と同様の方法で、炭化ケイ素の塊状物を得た。得られた炭化ケイ素の塊状物を左部位、中央部位、右部位ごとに回収してトップグラインダーで2mm以下までそれぞれ粉砕し、部位ごとの炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。
[Comparative Example 3]
In 1 kg of the amorphous silica of Example 1, it was immersed in a 5% by mass aqueous solution of hydrochloric acid for 1 hour so that the chlorine content was 5.0 mg. After dipping, the product was dried for 80 hours with a dryer to synthesize chloride-containing amorphous silica. Using this chloride-containing amorphous silica, a lump of silicon carbide was obtained in the same manner as in Comparative Example 2. The obtained silicon carbide lump was collected for each of the left part, the central part, and the right part and pulverized to 2 mm or less with a top grinder to obtain silicon carbide powder for each part. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

[比較例4]
水ガラス140kgにアモルファスカーボンを27kg加えて混合し、カーボン含有水ガラスを得た。得られたカーボン含有水ガラス167kgを硫酸濃度12.5vol%の硫酸1300Lに滴下し、カーボン含有アモルファスシリカを合成した。このカーボン含有アモルファスシリカをさらに12.5vol%の硫酸720Lに6時間浸漬し、金属元素不純物を除去した後、工業用水3000Lで水洗した後、乾燥機にて80時間乾燥を行い、高純度のカーボン含有アモルファスシリカを49.5kg合成した。なお、得られたカーボン含有アモルファスシリカの不純物量は表4の通りであった。不純物量と本発明に係る式(1)より、カーボン含有アモルファスシリカ1kg中に塩素含有量が35.2mgとなるように10質量%の塩化ナトリウム水溶液に1時間浸漬した。浸漬後、乾燥機にて80時間乾燥して、塩化物およびカーボン含有アモルファスシリカを合成した。
[Comparative Example 4]
27 kg of amorphous carbon was added to 140 kg of water glass and mixed to obtain a carbon-containing water glass. 167 kg of the obtained carbon-containing water glass was dropped into 1300 L of sulfuric acid having a sulfuric acid concentration of 12.5 vol% to synthesize carbon-containing amorphous silica. This carbon-containing amorphous silica is further immersed in 720 L of 12.5 vol% sulfuric acid for 6 hours to remove metal element impurities, washed with 3000 L of industrial water, and then dried for 80 hours in a dryer to obtain high purity carbon. 49.5 kg of containing amorphous silica was synthesized. The amount of impurities in the obtained carbon-containing amorphous silica was as shown in Table 4. From the amount of impurities and the formula (1) according to the present invention, it was immersed for 1 hour in a 10% by mass sodium chloride aqueous solution so that the chlorine content was 35.2 mg in 1 kg of carbon-containing amorphous silica. After soaking, the product was dried for 80 hours with a drier to synthesize chloride and carbon-containing amorphous silica.

上記塩化物およびカーボン含有アモルファスシリカと発熱体用黒鉛をアチソン炉に充填し、1500℃〜2500℃で24時間通電して、塊状の炭化ケイ素を得た。得られた炭化ケイ素の塊状物を左部位、中央部位、右部位ごとに回収してトップグラインダーで2mm以下までそれぞれ粉砕し、部位ごとの炭化ケイ素粉末を得た。得られた炭化ケイ素粉末の不純物の含有率を、「JIS R 1616」に記載された加圧酸分析法によるICP−AES分析により測定した。その結果を表5に示す。   The above-mentioned chloride and carbon-containing amorphous silica and heating element graphite were filled in an Atchison furnace and energized at 1500 ° C. to 2500 ° C. for 24 hours to obtain massive silicon carbide. The obtained silicon carbide lump was collected for each of the left part, the central part, and the right part and pulverized to 2 mm or less with a top grinder to obtain silicon carbide powder for each part. The content of impurities in the obtained silicon carbide powder was measured by ICP-AES analysis by the pressurized acid analysis method described in “JIS R 1616”. The results are shown in Table 5.

実施例1〜3の炭化ケイ素粉末は、比較例1、2と比較して、不純物元素の含有量が少ないことが分かる。また、塩化物量が少ない多孔質シリカを用いた比較例3の炭化ケイ素粉末は、実施例1〜3と比較して不純物元素の含有量が多いことが分かる。さらに、比較例4は、カーボン含有シリカに塩化ナトリウムを混合するといった特開2014−125407号公報に記載の発明に係る炭化ケイ素粉末であるが、実施例1〜3は、当該比較例4よりも高純度な炭化ケイ素粉末を製造可能であることが分かる。   It can be seen that the silicon carbide powders of Examples 1 to 3 have a lower impurity element content than Comparative Examples 1 and 2. Moreover, it turns out that the silicon carbide powder of the comparative example 3 using the porous silica with little chloride amount has much content of an impurity element compared with Examples 1-3. Furthermore, Comparative Example 4 is a silicon carbide powder according to the invention described in JP 2014-125407 A, in which sodium chloride is mixed with carbon-containing silica, but Examples 1 to 3 are more than Comparative Example 4 It can be seen that high-purity silicon carbide powder can be produced.

Claims (1)

空隙率が10〜50%のアモルファスの多孔質シリカを、アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬して塩化物含有アモルファスシリカを得る第1工程、及び
前記塩化物含有アモルファスシリカと、炭素質原料とを混合し、加熱する第2工程、を含み、
前記第1工程において、アモルファスの多孔質シリカ中の塩素が下記式(1)で表される塩素含有量以上となるように前記アルカリ金属の塩化物水溶液又は塩酸に浸漬することを特徴とする炭化ケイ素粉末の製造方法。
[ただし、Cは、前記アモルファスの多孔質シリカ中における、第3周期〜第4周期であり、かつ2(2A族)〜13(3B)族の金属不純物元素であって、含有量が多い順に上位所定順位までの元素それぞれの含有量(mg/kg)を示し、kは、前記各金属不純物元素の塩化物中における金属不純物元素に対する塩素の質量比を示し、Σは、前記金属不純物元素の各kCの値を加算することを示す。]
A first step of immersing amorphous porous silica having a porosity of 10 to 50% in an alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid to obtain chloride-containing amorphous silica; and the chloride-containing amorphous silica and carbonaceous raw material A second step of mixing and heating
Carbonization characterized in that in the first step, the amorphous porous silica is immersed in the alkali metal chloride aqueous solution or hydrochloric acid so that the chlorine content is not less than the chlorine content represented by the following formula (1). A method for producing silicon powder.
[However, C is a metal impurity element of the 3rd to 4th periods and 2 (2A group)-13 (3B) group in the said amorphous porous silica, Comprising: The content (mg / kg) of each element up to the upper predetermined order is shown, k is the mass ratio of chlorine to the metal impurity element in the chloride of each metal impurity element, Σ is the content of the metal impurity element Indicates that the values of each kC are added. ]
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