本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，尤其涉及一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法。

背景技術(shù)：

1、碳化硅晶須由于具有高熔點(diǎn)、低密度、高強(qiáng)度、耐酸堿腐蝕、抗氧化、抗燒蝕的優(yōu)異特點(diǎn)，在力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。碳化硅晶須是目前陶瓷基復(fù)合材料最為重要的增強(qiáng)材料，已廣泛用于航空航天等領(lǐng)域。

2、目前，制備碳化硅纖維主要有4種方法：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學(xué)氣相沉積法、超微細(xì)粉高溫?zé)Y(jié)法和活性炭纖維轉(zhuǎn)化法。以上方法均采用傳統(tǒng)的加熱方式，且需要封閉的環(huán)境、高溫、一定的壓力、不活潑氣體的填充等，技術(shù)復(fù)雜，對(duì)燒結(jié)環(huán)境和原料要求苛刻、生產(chǎn)效率低、大規(guī)模制備困難。此外，由于沒(méi)有足夠的生長(zhǎng)空間，碳化硅晶須生長(zhǎng)受限制，數(shù)量少，生長(zhǎng)緩慢。

3、cn114436674“一種網(wǎng)格狀碳化硅纖維的制備方法”采用一定的成型方法和造孔工藝制得多孔前驅(qū)體；將多孔前驅(qū)體置于微波燒結(jié)爐中在600℃～1800℃進(jìn)行微波燒結(jié)，制得網(wǎng)絡(luò)狀碳化硅纖維。由于多孔前驅(qū)體孔結(jié)構(gòu)為連通孔，孔徑上釋放的氣體會(huì)雜亂無(wú)章的釋放，氣體壓力較小，則形成了網(wǎng)絡(luò)狀碳化硅纖維。形成的碳化硅纖維存在表面容易被氧化、抗拉強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低的缺陷。

4、cn117658497“一種sic納米晶須復(fù)合γ-c2s熟料礦物的制備方法”記載了通過(guò)以鈣質(zhì)原料、硅粉、有機(jī)硅源為原料制成前驅(qū)體；將制備得到的前驅(qū)體預(yù)壓制坯后，埋入石英砂中，采用微波加熱原位合成sic納米晶須復(fù)合硅酸鹽水泥熟料。前驅(qū)體不是多孔前驅(qū)體，合成出來(lái)的碳化硅晶須很少，很短，不規(guī)則。

5、本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)，創(chuàng)新地采用了多孔前驅(qū)體和埋粉工藝相結(jié)合，為碳化硅晶須提供足夠的生長(zhǎng)空間，大大提高了碳化硅晶須的數(shù)量及長(zhǎng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，創(chuàng)新地采用了多孔前驅(qū)體和埋粉工藝相結(jié)合，硅源和碳源以多孔前驅(qū)體的形式混合成型后進(jìn)行微波加熱，在微波加熱過(guò)程中，激發(fā)的微波等離子體以三維立體多向的形式進(jìn)入氣孔內(nèi)部，發(fā)生氣相反應(yīng)，形成三維立體狀碳化硅晶須。

2、本發(fā)明首先制備含有一定比例碳源和硅源的多孔前驅(qū)體，利用三維立體微波等離子體在孔內(nèi)發(fā)生氣相反應(yīng)，形成三維立體狀的碳化硅晶須，由于其獨(dú)特的三維立體狀的結(jié)構(gòu)，可直接用于制備碳化硅晶須增韌陶瓷，催化劑載體，高性能吸波材料等。本發(fā)明采用微波加熱的方式，多孔前驅(qū)體受熱均勻，反應(yīng)效率高，速率快，制備時(shí)間短，能源利用效率高。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

4、步驟一、將硅源和碳源通過(guò)機(jī)械攪拌混合，碳硅摩爾比為（3~25）：1，采用一定的成型工藝和造孔工藝得到多孔前驅(qū)體；

5、步驟二、將多孔前驅(qū)體用石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，將試樣在900-1350℃保溫15-25min，制得三維立體狀碳化硅晶須。

6、所述的碳源為碳粉、活性炭、石油焦、瀝青、煤粉、生物質(zhì)碳、淀粉、飽和葡萄糖溶液中的一種或多種混合。

7、所述的硅源為硅粉、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的堿性硅溶膠，正硅酸乙酯、石英粉、白炭黑、聚硅氧烷、生物質(zhì)硅中的一種或多種混合。

8、所述的石英粉粒徑為40-600目，加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的260-290%。

9、所述在微波燒結(jié)爐中燒結(jié)溫度為900-1350℃，燒結(jié)方式為0.8-1.2kw功率燒結(jié)5min后，再用4-6kw功率燒結(jié)1~60min。

10、所述的成型方式包括但不限于機(jī)壓成型，等靜壓成型，膠態(tài)成型，擠出成型，可塑成型，澆注成型；

11、造孔工藝包括但不限于發(fā)泡法、固態(tài)造孔劑法，乳液法，有機(jī)泡沫浸漬法，冷凍干燥法。

12、所述造孔工藝中的乳液法方案為：將硅源和碳源混合均勻形成混合粉體，碳硅摩爾比為（3~25）：1，以占混合粉體質(zhì)量10~200%的水為分散介質(zhì)，以占水體積0.1~6倍的液態(tài)烷烴為有機(jī)物分散相，以有機(jī)物分散相質(zhì)量的5~50%的吐溫80為乳化劑，以四甲基氫氧化銨為分散劑，加入量占粉體質(zhì)量的0.1~2%；將上述材料置于球磨罐中進(jìn)行球磨，將球磨后的漿料置于攪拌桶中攪拌，同時(shí)加入氯化銨為引發(fā)劑，氯化銨的加入量為堿性硅溶膠質(zhì)量的0.2%~2%。攪拌均勻后注入模具，漿料快速固化干燥成型，得到多孔前驅(qū)體。

13、所述造孔工藝中的冷凍干燥法為：將硅源和碳源混合均勻形成混合粉體，碳硅摩爾比為（3~25）：1，以占混合粉體質(zhì)量10~200%的水為分散介質(zhì)，加入占粉體質(zhì)量1~20%的粘結(jié)劑，攪拌25-35min后，置于冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行冷凍成型，并經(jīng)減壓固化干燥后得到多孔前驅(qū)體。

14、所述粘結(jié)劑包括但不限于羧甲基纖維素鈉，聚乙烯醇，糊精，紙漿廢液等。

15、所述造孔工藝中的發(fā)泡法為：將硅源和碳源通過(guò)機(jī)械攪拌混合，碳硅摩爾比為（3~25）：1，待碳粉分散均勻后，加入發(fā)泡劑，繼續(xù)攪拌25-35min，使?jié){料充分發(fā)泡后，加入固化劑，攪拌5-15min后將漿料澆注在模具中；經(jīng)干燥脫模后得到多孔前驅(qū)體。

16、所述的發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基硫酸三乙醇胺，加入量占碳粉質(zhì)量的3-10%。

17、所述的固化劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%氯化銨水溶液，加入量占碳粉質(zhì)量的0.2-2%。

18、所述的固化干燥溫度為40-70℃，固化干燥時(shí)間為20-90h。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

20、本發(fā)明中的石英粉在高溫下產(chǎn)生熔融，將多孔前驅(qū)體包裹，形成密閉空間，在密閉空間內(nèi)，孔徑上的c與sio2反應(yīng)，生成co和sio氣體，二者在微波的作用下發(fā)生電離，迅速發(fā)生反應(yīng)生成sic，由于多孔前驅(qū)體內(nèi)部含有大量的氣孔，氣體由孔壁釋放至孔內(nèi)，在石英粉包裹的作用下，孔內(nèi)部氣體迅速積累，氣壓迅速增加，促進(jìn)等離子體發(fā)生瞬間氣相反應(yīng)，借助孔內(nèi)部的充足空間，形成晶體發(fā)育良好的三維立體狀碳化硅晶須。

21、相比于現(xiàn)有技術(shù)的致密坯體，多孔坯體可為晶須生長(zhǎng)提供充足的空間。

22、此外，石英粉在多孔前驅(qū)體外形成致密的熔融石英殼，可以防止碳化硅晶須的氧化，形成發(fā)育良好的純碳化硅晶須。

23、這種純碳化硅晶須是一種單晶，其原子排列高度有序，幾乎沒(méi)有缺陷，因而其強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值，因此碳化硅晶須具有很高的抗拉強(qiáng)度、硬度和耐高溫性能，可以承受高達(dá)2000℃的高溫。

24、本發(fā)明將硅源和碳源以多孔前驅(qū)體的形式混合成型后進(jìn)行微波加熱，在微波加熱過(guò)程中，激發(fā)的微波等離子體以三維立體多向的形式進(jìn)入氣孔內(nèi)部，發(fā)生氣相反應(yīng)，形成三維立體狀碳化硅晶須。

25、本發(fā)明采用微波加熱的方式，多孔前驅(qū)體受熱均勻，反應(yīng)效率高，速率快，制備時(shí)間短，能源利用效率高。

技術(shù)特征：

1.一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：步驟一、將硅源和碳源通過(guò)機(jī)械攪拌混合，碳硅摩爾比為（3~25）：1，采用成型工藝和造孔工藝得到多孔前驅(qū)體；步驟二、將多孔前驅(qū)體用石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，將試樣在900-1350℃保溫15-25min，石英粉在高溫下產(chǎn)生熔融，將多孔前驅(qū)體包裹，石英粉在多孔前驅(qū)體外形成致密的熔融石英殼，形成密閉空間，在密閉空間內(nèi)，孔徑上的c與sio2反應(yīng)，生成co和sio氣體，二者在微波的作用下發(fā)生電離，迅速發(fā)生反應(yīng)生成sic，多孔前驅(qū)體內(nèi)部含有大量的氣孔，氣體由孔壁釋放至孔內(nèi)，在石英粉包裹的作用下，孔內(nèi)部氣體迅速積累，氣壓迅速增加，促進(jìn)等離子體發(fā)生瞬間氣相反應(yīng)，借助孔內(nèi)部的充足空間，形成晶體發(fā)育良好的三維立體狀碳化硅晶須。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：碳源為碳粉、活性炭、石油焦、瀝青、煤粉、生物質(zhì)碳、淀粉、飽和葡萄糖溶液中的一種或多種混合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：硅源為硅粉、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的堿性硅溶膠，正硅酸乙酯、石英粉、白炭黑、聚硅氧烷、生物質(zhì)硅中的一種或多種混合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：多孔前驅(qū)體質(zhì)量為30-50g。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：石英粉粒徑為40-80目，加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的260-290%。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：在微波燒結(jié)爐中燒結(jié)溫度為900-1350℃，燒結(jié)方式為0.8-1.2kw功率燒結(jié)5min后，再用4-6kw功率燒結(jié)1min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，其特征在于：造孔工藝為發(fā)泡法、固態(tài)造孔劑法，乳液法，有機(jī)泡沫浸漬法，冷凍干燥法中的一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法，將硅源和碳源通過(guò)機(jī)械攪拌混合，碳硅摩爾比為（3~25）：1，采用一定的成型工藝和造孔工藝得到多孔前驅(qū)體；將多孔前驅(qū)體用石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，將試樣在900?1350℃保溫15?25min，制得三維立體狀碳化硅晶須。本發(fā)明硅源和碳源以多孔前驅(qū)體的形式混合成型后進(jìn)行微波加熱，在微波加熱過(guò)程中，激發(fā)的微波等離子體以三維立體多向的形式進(jìn)入氣孔內(nèi)部，在埋粉的作用下孔內(nèi)部氣體迅速積累，氣壓迅速增加，促進(jìn)等離子體發(fā)生瞬間氣相反應(yīng)，借助孔內(nèi)部的充足空間，形成晶體發(fā)育良好的三維立體狀碳化硅晶須。

技術(shù)研發(fā)人員：董賓賓,秦峰,董文哲,閔志宇,何濤,李豪,張銳,關(guān)莉,范冰冰,王黎,殷超凡,白宏宇,魏佳煒,王飛鴻,鄭希辰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：洛陽(yáng)理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9