高纯度聚硅氧碳衍生的碳化硅材料、应用和过程制造技术

有机硅化学、聚合物衍生的陶瓷材料和方法。用于制备具有3个9、4个9、6个9或更高纯度的聚硅氧碳(SiOC)和碳化硅(SiC)材料的材料和方法。使用所述高纯度SiOC和SiC的方法和制品。

High purity poly (silicon carbide) derived silicon carbide materials, applications and processes

Organosilicon chemistry, polymer derived ceramic materials and methods. Materials and methods for preparing 3, 9, 9, 6, 9 or 4 higher purity poly (oxy carbon) (SiOC) and silicon carbide (SiC) materials. Methods and articles for use of high-purity SiOC and SiC.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高纯度聚硅氧碳衍生的碳化硅材料、应用和过程本申请要求：(i)根据35U.S.C.§119(e)(1)，申请日为2014年9月25日的美国临时申请No：62/055,397的优先权；(ii)根据35U.S.C.§119(e)(1)，申请日为2014年9月25日的美国临时申请No：62/055,461的优先权；(iii)根据35U.S.C.§119(e)(1)，申请日为2014年9月25日的美国临时申请No：62/055,497的优先权；和(iv)根据35U.S.C.§119(e)(1)，申请日为2015年2月4日提交的美国临时申请No：62/112,025的优先权，其各自的的全部披露内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及聚有机组合物、方法、结构和材料；聚合物衍生的预制陶瓷材料和陶瓷材料及方法；尤其是聚硅氧碳(polysilocarb)组合物、方法、结构和材料。本专利技术还涉及用于制造碳化硅(SiC)和SiC组合物的方法以及制备这些产物的结构、组件、材料和装置；用于制造碳化硅(SiC)和SiOC组合物的方法以及用于制备这些产物的结构、组件、材料和装置；尤其是涉及由聚硅氧碳材料制成的SiC。聚硅氧碳材料和用于制造这些材料的方法在美国专利申请No：14/212,896,14/324,056,14/268,150和14/634,819中有公开和教导。其各自的全部公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
由碳硅烷或聚碳硅烷(Si-C)，硅烷或聚硅烷(Si-Si)，硅氮烷或聚硅氮烷(Si-N-Si)，碳化硅(SiC)，碳硅氮烷或聚碳硅氮烷(Si-N-Si-C-Si)，硅氧烷或聚硅氧烷(Si-O)制成的材料或来源于这些物质的材料是已知的。这些一般类型的材料具有巨大但未实现的前景；并没有发现大规模的应用或市场接受度。相反，他们的使用已经被降低到非常狭窄、有限、低容量、高价格和非常特定的应用，例如，火箭喷嘴中的陶瓷部件或航天飞机的贴片。因此，它们作为陶瓷未能获得广泛使用，并且相信它们在其他应用中获得甚至更少的认可和使用。或多或少地，所有这些材料和用于制备这些材料的工艺遭受一项或多项失败，这些失败包括：例如，它们非常昂贵和难以制造，成本在每磅成千上万美元；它们需要高纯度和非常高纯度的起始原料；这些工艺通常不能生产具有高纯度的材料；这些工艺需要有害的有机溶剂(如，甲苯，四氢呋喃(THF)和己烷)；这些材料不能制造具有任何可用强度的非增强(non-reinforced)结构；这些工艺产生不希望的和有害的副产物，如可能含有镁的盐酸和污泥；这些工艺需要多种基于与固化和热解步骤相结合的反应步骤的溶剂和反应物；这些材料不能形成有用的预浸材料；并且它们的整体物理性质是混合的，例如，良好的温度性能但是非常易碎。结果，虽然相信有很大的希望，但这些类型的材料未能找到大规模应用或市场接受度，并且基本上仍然停留在科学探索阶段。碳化硅(SiC)是硅(Si)和碳(C)的化合物，具有广泛的用途，应用和潜在的未来用途。尤金·艾奇逊(EugeneAcheson)通常被认为开发了第一种制造碳化硅的商业方法，这些方法在美国专利号492,767和560,291中被教导和公开，其各自的全部公开内容在此通过引用并入本文。碳化硅是一种高度通用的材料。碳化硅可以具有多种形式，例如，无定形，具有许多不同多型体的结晶，以及形成单晶结构和多晶结构。除其它用途外，碳化硅可用于研磨剂，摩擦元件和电子器件。可以通过烧结操作将碳化硅粉末、细粒、丸粒或其它较小尺寸和形状的形式连接在一起以形成组件和结构。通常，碳化硅可用作半导体。作为一种材料，它非常稳定。碳化硅是非常硬的材料。它基本上是化学惰性的，并且在室温下不会与任何物质反应。近年来，对于高纯度碳化硅的需求，尤其是用于终端产品(例如，半导体)的高纯度单晶碳化物材料的需求一直在增加，但是相信未得到满足。例如，“单晶作为高频和高功率碳化硅电子器件的基底越来越重要”(Wang等人，SynthesisofHighPowerSicPowderforHigh-resistivitySiCSinglecrystalsGrowth,p118(J.Mater.Sci.Technol.Vol.23,No1,2007)(以下称为Wang))。为了获得这些高纯度碳化硅末端产品，作为起始原料或原料的碳化硅粉末必须非常纯净。然而，“大部分商购的SiC粉末通常是通过二氧化硅的碳热还原来合成；遗憾地是，它通常被污染到使其不适合SiC生长的水平”(Wang,p118)。Zwieback等人在2013/0309496(“Zwieback”)中也已经认识到获得高纯度碳化硅的长期需要以及本领域不能提供可行(从技术上和经济角度出发)的方法获得这些材料的问题，该文献提供了“高纯SiC源材料的可获得性对于SiC单晶的生长通常是重要的，并且对于半绝缘SiC晶体是至关重要的”(Zwieback在)。Zwieback继续指出，包括基于液体的方法在内的现有方法一直不能满足这一需求：“虽然多年来已经发展了许多Acheson工艺的改进，但所生产的SiC材料总是含有高浓度的硼、氮铝和其他金属，并不适合作为半导体品质SiC晶体生长的源材料”(Zwieback在)；“通过CVD制造的商业级块状SiC用作SiC晶体生长中的源材料不足够纯”(Zwiebackat)；“液体工艺生产的SiC材料含有高浓度的污染物，不适用于半导体品质SiC晶体的生长”(Zwieback在0011)；并且，SiC的直接合成提供了“妨碍该材料的使用”的不纯净物质(Zwieback在)。Zwieback本身力图通过看起来像是复杂和多步骤版本的直接工艺来解决这一长期需求，以提供更高纯度的Sic。相信这个工艺在技术上或经济上都不可行，因此其无法解决提供商业级别的高纯度SiC的长期需求。因此，尽管还有其它已知的获得碳化硅的方法，但是认为这些方法中没有一个提供了必要的技术、容量和经济可行性来提供商业应用和用途所需的纯度水平、量和低成本；尤其是满足半导体级别材料和其它发展中的商业应用和用途的不断增长的需求。“在这些合成方法中，只有CVD已经成功地用于生产高纯度SiC粉末，由于与CVD技术相关的高成本，所以这种方法不适合大量生产”(Wang,p.118)。CVD通常指化学气相沉积。CVD是一种气相沉积技术。除了CVD之外，气相沉积技术还包括PVD(物理气相沉积)，等离子体增强CVD，物理气相传输(PVT)等。因此，针对这些终端产品和其它需要高纯度材料的用途，对低成本且具有下列纯度的碳化硅原料的需求不断增加：至少约99.9％，至少约99.99％，至少约99.999％，至少约99.9999％，和至少约99.99999％或更高。然而，相信在本专利技术的实施例之前，实际上，这种需求还没有得到满足。此外，在本专利技术的实施例之前，相信从未获得高纯度和超高纯度的SiOC材料，尤其是大于几盎司的小实验室批次的量，因此其重要性、益处和对这种材料的需求在很大程度上还未被认识和不被理解。高纯度单晶碳化硅材料具有许多理想的特征和特性。例如，非常坚硬，具有424GPa的杨氏模量。多晶碳化硅也可能具有非常高的硬度，这取决于其晶粒结构和其它因素。如本文所使用的，除非另有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制品，所述制品包括：a.自我烧结的聚硅氧碳衍生的碳化硅组合物；b.自我烧结的聚硅氧碳衍生的碳化硅组合物包括烧结的亚微米尺寸的碳化硅颗粒，其中所述组合物基本不含有烧结助剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.25 US 62/055,461;2014.09.25 US 62/055,497;1.一种制品，所述制品包括：a.自我烧结的聚硅氧碳衍生的碳化硅组合物；b.自我烧结的聚硅氧碳衍生的碳化硅组合物包括烧结的亚微米尺寸的碳化硅颗粒，其中所述组合物基本不含有烧结助剂。2.如权利要求1所述的制品，其中所述聚硅氧碳含有摩尔比为约30％至85％的碳，约5％至40％的氧和约5％至35％的硅。3.如权利要求1所述的制品，其中所述碳化硅颗粒具有低于约100ppm的杂质总量，其中所述杂质选自由下列元素构成的组：Al，Fe，B，P和Ti。4.如权利要求1所述的制品，其中所述碳化硅颗粒具有低于约10ppm的杂质总量，其中所述杂质选自由下列元素构成的组：Al，Fe，B，P和Ti。5.如权利要求1所述的制品，其中所述碳化硅颗粒的纯度至少为99.9999％。6.如权利要求1所述的制品，其中所述碳化硅颗粒的纯度至少为99.99999％。7.如权利要求1所述的制品，其中所述制品选自由下列制品构成的组：盔甲、弹道材料、爆炸防护罩、耐渗透材料、窗口、镜头、纤维、内部反射光学件、全内部反射光学件、光学件、制动转子、制动组件、制动盘、制动片、宝石、次等宝石和珠宝。8.一种碳化硅组合物，包括：a.聚合物衍生的碳化硅颗粒；b.所述颗粒的平均粒径为约0.5μm或更小；c.所述颗粒基本上由处于SiC4构型的硅和碳组成，其中所述颗粒具有低于0.5％的过量碳，且纯度至少为99.99999％。9.如权利要求12所述的组合物，其中所述平均粒径为约0.2μm或更小。10.一种自我烧结的碳化硅组合物，包括：a.聚合物衍生的碳化硅颗粒；b.所述颗粒的平均粒径为约0.5μm或更小；c.所述颗粒基本上由处于SiC4构型的硅和碳组成，其中所述颗粒具有低于0.1％的过量碳，且纯度至少为99.99999％；d.其中所述颗粒能够在不需要烧结剂的情况下形成固体SiC体积形状。11.如权利要求15所述的组合物，其中所述体积形状是层状。12.如权利要求15所述的组合物，其中所述体积形状是选自由窗口状、透镜状和纤维状构成的组的形状。13.如权利要求15所述的组合物，其中所述体积形状是选自由盔甲、弹道材料、爆炸防护罩、耐渗透材料、窗口、镜头、纤维、内部反射光学件和光学件构成的组的制品。14.一种可烧结的碳化硅组合物，包括：a.多个碳化硅颗粒，所述多个碳化硅颗粒的总重量至少大于约10g；b.所述颗粒的平均粒径为约0.5μm或更小；c.所述颗粒基本上由处于SiC4构型的硅和碳组成，其中所述颗粒具有低于0.5％的过量碳，且纯度至少为99.99999％；d.其中所述颗粒能够在不需要烧结剂的情况下被烧结成固体SiC制品，所述被烧结的SiC制品至少具有强度属性，且所述强度属性为自然SiC的强度的至少90％。15.一种碳化硅组合物，包括：a.聚合物衍生的碳化硅颗粒；b.所述颗粒的平均粒径为约0.5μm或更小，每个颗粒具有表面，其中所述表面不含有氧化物层；c.所述颗粒基本上由硅和碳组成，其中所述颗粒具有低于0.5％的过量碳，且纯度至少为99.99999％。16.一种碳化硅组合物，包括：a.聚合物衍生的碳化硅颗粒；b.所述颗粒的平均粒径为约5μm或更小，每个颗粒具有表面，其中所述表面不含有氧化物层；以及，c.所述颗粒基本上由硅和碳组成，其中所述颗粒的纯度至少为99.99999％。17.如权利要求16所述的组合物，其中所述粒径小于1μm。18.如权利要求18所述的组合物，其中所述粒径小于0.1μm。19.如权利要求16所述的组合物，包括耐高温的陶瓷粉末，从而该组合物是混合物。20.如权利要求19所述的组合物，其中所述耐高温陶瓷粉末包括选自由AlN,BC,BN,Al2O3,ZrO2和Si构成的组的材料。21.一种制备包括超纯碳化硅的制品的方法，包括：a.结合包括硅、氧和碳的第一液体与包括碳的第二液体；b.固化所述第一液体和第二液体的结合物，以提供固化的基本上由硅、氧和碳组成的SiOC固体材料；c.将所述SiOC固体材料转换为超纯的聚合物衍生的SiC，所述SiC具有低于99.9999％的杂质；以及d.通过所述超纯聚合物衍生的SiC的气相沉积，形成单晶SiC，其中所述气相沉积结构没有缺陷，且具有低于99.9999％的杂质。22.如权利要求21所述的方法，其中所述超纯聚合物衍生的SiC具有过量碳。23.如权利要求21所述的方法，其中所述超纯聚合物衍生的SiC不含有过量碳。24.如权利要求21所述的方法，其中所述超纯聚合物衍生的SiC是碳缺乏的。25.如权利要求21所述的方法，其中所述超纯聚合物衍生的SiC具有低于约100ppm的杂质总量，所述杂质选自由Al,Fe,B,P,Pt,Ca,Mg,Li,Na,Ni,V,Ti,Ce,Cr,S和As元素构成的组。26.如权利要求21所述的方法，其中所述单晶SiC结...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·R·霍普金斯，阿希什·P·迪万吉，沃尔特·J·舍伍德，道格拉斯·M·杜克斯，
申请(专利权)人：梅里奥创新公司，
类型：发明
国别省市：美国,US