[发明专利]一种碳化硅晶须的制备方法及相关应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用稻壳和商业碳源为原料，制备高质量碳化硅晶须的方法，以及所制备的碳化硅晶须的两种应用。 

背景技术

作为一种性能优越的陶瓷材料，SiC具有高杨氏模量，高温强度，低比重，化学稳定性强，抗腐蚀，抗热振等优良特性，因此，有广泛的用途。SiC有两百多种晶型和多种存在形态，包括颗粒、晶须、纤维以及大块SiC等。不同的形态对于其性能发挥有重要影响，考虑到不同的使用目的，选择相应的SiC材料对于充分利用其优异性能至关重要。 

作为SiC的一种晶型，β-SiC在学术和工业界都十分重要，在高性能复合材料、高温应用、腐蚀环境以及微波领域都具有重要而广泛的工程价值。由此，几十年来，β-SiC的研究和制备得到了广泛的关注。早在1973年，犹他大学教授I.B.Cutler就做了利用稻壳(年产量高达1.5亿吨)制备SiC的研究，并且申请了由稻壳灰为原料而制备SiC的专利(美国专利3,754,076)，该专利中，碳源和硅源都来自稻壳本身。该专利中金属氧化物(Fe₂O₃等)被用来提高反应转化率。Horne等在其专利(美国专利4,284,612)中公布了一种制备SiC晶须的方法：首先将有机纤维氧化，再和一种SiO2源混合均匀，将混合物在1400℃到1700℃之间进行热处理，该制备工艺中也利用到了外加催化剂(铁)。Yamada等在其专利(美国专利4,849,196)中公布了一种制备SiC晶须的工艺。该工艺以硅的氧化物和含碳材料混合物为原料，在催化剂的作用下，经高温处理而制得SiC晶须。催化剂为Fe、Co、Ni(单独使用其中一种，或者混合使用)。在Weaver等人关于制备SiC晶须的专利(美国专利4873069)中，将蓬松的氧化硅和炭化材料混合在一起作为初始材料，在催化剂(硼的氧化物等)的作用下，经过高温处理(1650±300℃)，而制得SiC晶须。 

上述专利中的制备过程，产物中的SiC晶须都是基于气-固(VS)或者气-液-固(VLS)机制所产生的。催化剂的加入可以在一定程度上促进反应的发生，但是对于提高SiC晶须的产率作用有限。同时，催化剂降低了产物的纯度并且增加了工艺成本。本专利针对目前的两个问题而改进工艺配方和过程，极大地提高了SiC产率及其纯度，同时没有明显地增加成本。 

发明内容

本发明提供了一种制备高质量SiC晶须的新工艺。通过改变原材料，优化了产物的SiC晶须产率，使得SiC晶须在产物中的比例接近100％，避免了颗粒状SiC的产生。该工艺还避免了外源性催化剂的使用，从而降低了工艺成本，同时提高了产品的纯度。所制备的两种类型的SiC晶须都具有巨大潜在应用价值。该专利给出了两个应用实例：高性能复合材料增强相和热流体传热系数高效增强剂。本专利利用低成本的稻壳灰作为硅源，利用商业碳源，成功开发了高产率SiC晶须生产的工艺(晶须产率接近100％)。该工艺将从根本上改善稻壳(作为一种农业废物)的处理现状和高性能陶瓷晶须的工业生产能力。有多种因素影响该工艺的实施和产品的质量。比如，稻壳除碳的热处理温度，原料中的Si/C比例，原材料混合物的成型压力，混合均匀度，以及商业碳源的质量等等。通过控制不同的因素，该专利成功生产出两种类型的SiC晶须产品，光滑表面的SiC晶须和串珠型结构的SiC晶须。同时，所得SiC晶须产品的轴比也可以通过生产参数的不同而调节以适合工艺需要。 

本发明由以下几步组成： 

1.该工艺以稻壳为原材料，经过除碳工艺(在空气中加热处理，加热温度为500℃到800℃)，得到白灰。 

2.将稻壳白灰和高质量商业碳源混合均匀，其中摩尔比C/Si在1到10之间。 

3.经过一定的压力，将混合物形成坯体，压力大小为0～1000MPa。 

4.将坯体放入气氛炉中，进行热处理，处理温度为1200℃到1700℃。 

5.通过通入惰性气体(氩气)的方法控制炉子中的气氛，保护反应进行。 

6.将炉子冷却至室温，收集反应产物，即为SiC晶须。