權(quán)利要求
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、將硅源和碳源通過機械攪拌混合，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，有機泡沫浸漬法，冷凍干燥法中的一種。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無機非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，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)
[0002]碳化硅晶須由于具有高熔點、低密度、高強度、耐酸堿腐蝕、抗氧化、抗燒蝕的優(yōu)異特點，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材料，已廣泛用于航空航天等領(lǐng)域。
[0003]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，由于沒有足夠的生長空間，碳化硅晶須生長受限制，數(shù)量少，生長緩慢。
[0004]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雜亂無章的釋放，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、抗拉強度和硬度相對較低的缺陷。
[0005]CN117658497“一種SiC納米晶須復(fù)合γ-C2S熟料礦物的制備方法”記載了通過以鈣質(zhì)原料、硅粉、有機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，合成出來的碳化硅晶須很少，很短，不規(guī)則。
[0006]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空間，大大提高了碳化硅晶須的數(shù)量及長度。
發(fā)明內(nèi)容
[0007]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行微波加熱，在微波加熱過程中，激發(fā)的微波等離子體以三維立體多向的形式進入氣孔內(nèi)部，發(fā)生氣相反應(yīng)，形成三維立體狀碳化硅晶須。
[0008]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，制備時間短，能源利用效率高。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案為：
步驟一、將硅源和碳源通過機械攪拌混合，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;
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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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%。
[0013]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。
[0014]所述的成型方式包括但不限于機壓成型，等靜壓成型，膠態(tài)成型，擠出成型，可塑成型，澆注成型;
造孔工藝包括但不限于發(fā)泡法、固態(tài)造孔劑法，乳液法，有機泡沫浸漬法，冷凍干燥法。
[0015]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)烷烴為有機物分散相，以有機物分散相質(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行球磨，將球磨后的漿料置于攪拌桶中攪拌，同時加入氯化銨為引發(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。
[0016]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，置于冷凍干燥機中進行冷凍成型，并經(jīng)減壓固化干燥后得到多孔前驅(qū)體。
[0017]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。
[0018]所述造孔工藝中的發(fā)泡法為：將硅源和碳源通過機械攪拌混合，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。
[0019]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%。
[0020]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%。
[0021]所述的固化干燥溫度為40-70℃，固化干燥時間為20-90h。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
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。
[0023]相比于現(xiàn)有技術(shù)的致密坯體，多孔坯體可為晶須生長提供充足的空間。
[0024]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。
[0025]這種純碳化硅晶須是一種單晶，其原子排列高度有序，幾乎沒有缺陷，因而其強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度、硬度和耐高溫性能，可以承受高達2000℃的高溫。
[0026]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行微波加熱，在微波加熱過程中，激發(fā)的微波等離子體以三維立體多向的形式進入氣孔內(nèi)部，發(fā)生氣相反應(yīng)，形成三維立體狀碳化硅晶須。
[0027]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，制備時間短，能源利用效率高。
附圖說明
[0028]圖1為實施例1所制備的三維立體狀碳化硅晶須的顯微照片。
[0029]圖2為實施例2所制備的三維立體狀碳化硅晶須的顯微照片。
[0030]圖3為實施例3所制備的三維立體狀碳化硅晶須的顯微照片。
[0031]圖4為實施例4所制備的三維立體狀碳化硅晶須的顯微照片。
[0032]圖5為實施例5所制備的三維立體狀碳化硅晶須的顯微照片。
[0033]圖6為實施例6所制備的三維立體狀碳化硅晶須的顯微照片。
具體實施方式
[0034]為了更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容，下面將結(jié)合具體實施例和附圖來進一步闡述本發(fā)明。以下實施例以本發(fā)明的技術(shù)為基礎(chǔ)實施，給出了詳細的實施方式和操作步驟，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。
[0035]實施例1：
步驟一、將硅源和碳源通過機械攪拌混合，碳硅摩爾比為3:1，待碳粉分散均勻后，加入發(fā)泡劑，繼續(xù)攪拌30min，使?jié){料充分發(fā)泡后，加入固化劑，攪拌10min后將漿料澆注在模具中;經(jīng)固化干燥脫模后得到多孔前驅(qū)體，固化干燥溫度為40℃，固化干燥時間為20h，多孔前驅(qū)體質(zhì)量為30g。
[0036]碳源為淀粉，硅源為硅粉，發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉，加入量占碳源質(zhì)量的3%;固化劑為20%氯化銨水溶液，加入量占碳源質(zhì)量的0.2%。
[0037]步驟二、將多孔前驅(qū)體用粒徑為40目石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，石英粉的加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的260%，燒結(jié)溫度為900℃，燒結(jié)方式為0.8kw功率燒結(jié)5min后，再用4kw功率燒結(jié)1min，將試樣升溫至900℃，保溫15min，制得三維立體狀碳化硅晶須。
[0038]實施例2：
步驟一、將硅源和碳源混合均勻形成混合粉體，碳硅摩爾比為7:1，以占混合粉體質(zhì)量150%的水為分散介質(zhì)，以占水體積4倍的液態(tài)烷烴為有機物分散相，以有機物分散相質(zhì)量的30%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1%;將上述材料置于球磨罐中進行球磨，將球磨后的漿料置于攪拌桶中攪拌，同時加入氯化銨為引發(fā)劑，氯化銨的加入量為硅源質(zhì)量的1%。攪拌均勻后注入模具，漿料快速固化干燥成型，固化干燥溫度為70℃，固化干燥時間為90h，得到多孔前驅(qū)體，多孔前驅(qū)體質(zhì)量為50g;
硅源為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的堿性硅溶膠，碳源為碳粉。
[0039]步驟二、將多孔前驅(qū)體用粒徑為50目石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，石英粉的加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的270%，燒結(jié)溫度為1000℃，燒結(jié)方式為1.0kw功率燒結(jié)5min后，再用4.5kw功率燒結(jié)20min，將試樣升溫至1000℃，保溫18min，制得三維立體狀碳化硅晶須。
[0040]實施例3：
步驟一、將硅源和碳源混合均勻形成混合粉體，碳硅摩爾比為10:1，以占混合粉體質(zhì)量130%的水為分散介質(zhì)，加入占粉體質(zhì)量10%的粘結(jié)劑，攪拌30min后，置于冷凍干燥機中進行冷凍成型，并經(jīng)減壓固化干燥后得到多孔前驅(qū)體，固化干燥溫度為60℃，固化干燥時間為70h，多孔前驅(qū)體質(zhì)量為40g。
[0041]硅源為石英粉，碳源為飽和葡萄糖溶液，粘結(jié)劑為聚乙烯醇。
[0042]步驟二、將多孔前驅(qū)體用粒徑為60目石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，石英粉的加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的280%，燒結(jié)溫度為1100℃，燒結(jié)方式為1.0kw功率燒結(jié)5min后，再用4.8kw功率燒結(jié)10min，將試樣升溫至1100℃，保溫19min，制得三維立體狀碳化硅晶須。
[0043]實施例4：
步驟一、將硅源和碳源通過機械攪拌混合，碳硅摩爾比為6:1，待碳粉分散均勻后，加入發(fā)泡劑，繼續(xù)攪拌25min，使?jié){料充分發(fā)泡后，加入固化劑，攪拌8min后將漿料澆注在模具中;經(jīng)固化干燥脫模后得到多孔前驅(qū)體，固化干燥溫度為50℃，固化干燥時間為60h，多孔前驅(qū)體質(zhì)量為35g。
[0044]碳源為活性炭，硅源為硅粉，發(fā)泡劑為十二烷基硫酸三乙醇胺，加入量占碳源質(zhì)量的7%;固化劑為20%氯化銨水溶液，加入量占碳源質(zhì)量的1%。
[0045]步驟二、將多孔前驅(qū)體用粒徑為70目石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，石英粉的加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的290%，燒結(jié)溫度為1200℃，燒結(jié)方式為1.0kw功率燒結(jié)5min后，再用5kw功率燒結(jié)30min，將試樣升溫至1200℃，保溫20min，制得三維立體狀碳化硅晶須。
[0046]實施例5：
步驟一、將硅源和碳源混合均勻形成混合粉體，碳硅摩爾比為12:1，以占混合粉體質(zhì)量60%的水為分散介質(zhì)，以占水體積2倍的正辛烷為有機物分散相，以有機物分散相質(zhì)量的10%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0.5%;將上述材料置于球磨罐中進行球磨，將球磨后的漿料置于攪拌桶中攪拌，同時加入氯化銨為引發(fā)劑，氯化銨的加入量為堿性硅溶膠質(zhì)量的1%。攪拌均勻后注入模具，漿料快速固化干燥成型，固化干燥溫度為58℃，固化干燥時間為78h，多孔前驅(qū)體質(zhì)量為35g，實現(xiàn)采用膠態(tài)成型和乳液法制得多孔前驅(qū)體。
[0047]硅源為正硅酸乙酯，碳源為碳粉，粘結(jié)劑為羧甲基纖維素鈉。
[0048]步驟二、將多孔前驅(qū)體用粒徑為80目石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，石英粉的加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的280%，燒結(jié)溫度為1300℃，燒結(jié)方式為1.0kw功率燒結(jié)5min后，再用5kw功率燒結(jié)50min，將試樣升溫至1300℃，保溫20min，制得三維立體狀碳化硅晶須。
[0049]實施例6：
步驟一、將硅源和碳源混合均勻形成混合粉體，碳硅摩爾比為25:1，以占混合粉體質(zhì)量50%的水為分散介質(zhì)，加入占粉體質(zhì)量5%的聚乙烯醇，置于冷凍干燥機中進行冷凍成型，并經(jīng)減壓固化干燥后，固化干燥溫度為68℃，固化干燥時間為75h，得到多孔前驅(qū)體，多孔前驅(qū)體質(zhì)量為45g，實現(xiàn)采用膠態(tài)成型和冷凍干燥法制得多孔前驅(qū)體。
[0050]硅源為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為生物質(zhì)硅，碳源為生物質(zhì)碳。
[0051]步驟二、將多孔前驅(qū)體用粒徑為80目石英粉包裹置于微波燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，石英粉的加入量占多孔前驅(qū)體質(zhì)量的260%，燒結(jié)溫度為1350℃，燒結(jié)方式為1.2kw功率燒結(jié)5min后，再用6kw功率燒結(jié)60min，將試樣升溫至1350℃，保溫25min，制得三維立體狀碳化硅晶須。
[0052]本發(fā)明可以根據(jù)以上制備方法具有其它形式的實施例，不再一一列舉。因此，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
說明書附圖(6)
聲明：
“多孔前驅(qū)體微波合成碳化硅晶須的方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：洛陽理工學(xué)院
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2025年03月25日 ~ 27日 
