[发明专利]一种废料3D打印制备碳化硅陶瓷的方法及碳化硅陶瓷

说明书

本发明公开了一种废料3D打印制备碳化硅陶瓷的方法及碳化硅陶瓷。所述方法包括：将木质废料依次经过碳化、粉碎后得到木质碳粉；将所述木质碳粉与粘结剂混合，通过3D打印成形得到木质碳坯体；将含碳废料溶于有机溶剂中得到含碳溶液，将所述木质碳坯体浸入所述含碳溶液中进行溶液浸渍热解得到木质碳预制体；通过加热使含硅废料中硅蒸发得到气相硅，将所述木质碳预制体在气相硅中进行烧结得到碳化硅陶瓷。本发明对木质废料、含碳废料及含硅废料的高效综合利用，通过含硅废料气相反应烧结制备获得碳化硅，由此解决目前高成本、杂质污染、无法制备复杂结构的碳化硅陶瓷等的技术问题。

技术领域

本发明属于碳化硅陶瓷技术领域，更具体地，涉及一种废料3D打印制备碳化硅陶瓷的方法及碳化硅陶瓷。

背景技术

碳化硅陶瓷具有良好的化学稳定性、高导热性、低热膨胀性和高抗热震性等综合品质，在航空航天、汽车、化学催化、热交换和电磁吸收/屏蔽等领域应用广泛。目前，SiC陶瓷主要合成途径包括化学气相沉积、先驱体浸渍裂解和反应熔渗等，这些方法所需的原料和设备昂贵，因此亟需一种可有效降低碳化硅生产的原料成本和反应温度的方法，从而提高碳化硅陶瓷的经济性和应用范围。

人类在生活和生产过程中产生大量的固体废料。如木材是世界上最丰富的可再生和可持续资源，在人们的生产和生活中占有重要地位，可用于制作器具、家具和建筑物等。然而在木材产品的加工和生产过程中，却不可避免地产生木质废料，如稻壳、秸秆、落叶、枯草、树枝和木屑等。煤炭和石油都属于化石能源，是有机质经过千万年甚至亿年的演化形成的不可再生资源，石油被称为“工业的血液”，煤炭被称为“工业的粮食”，随着开采日益加剧，人类面临着严重的资源短缺问题，然而石油和煤炭资源利用过程中产生的煤灰、石油沥青、煤焦沥青等残渣废料造成了严重的环境保护问题。随者光伏产业发展，硅片切割过程中不可避免会产生许多硅泥废料，不仅损失了昂贵的晶体硅，同时还会造成严重的环境污染。随着“碳中和、碳达峰”目标的提出，资源的回收与利用也成为了重要的减排手段。有效提高废物资源利用率和产品附加值是人们关注的重点。

目前，已有研究工作通过固体废料制备碳化硅陶瓷，如201711057626.6公开了一种金刚石切割废料制备高品质碳化硅的方法，该发明通过将含硅金刚石线切割废料、高纯碳粉和还原剂压制成球后再经过高温冶炼、破碎和酸洗获得碳化硅粉，极大利用了含硅废料。但是，该发明仍需要高成本的高纯碳源作为反应物，且在冶炼过程中，废料中杂质的污染无法避免，需要进一步的纯化工艺，得到的碳化硅粉体需要进一步加工得到构件。201710725687.9公开了一种用晶体硅的碳化硅切割废料制备碳化硅多孔陶瓷的方法，该发明将晶体硅切割废料与碳粉、铵盐、酚醛树脂充分混合后干压成型，经高温烧结得到碳化硅多孔陶瓷。但该方法无法避免废料中杂质污染的问题，大大降低了碳化硅陶瓷的品质，且干压成型无法制备复杂结构的碳化硅陶瓷，需要进一步机加工以满足使用需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种废料3D打印制备碳化硅陶瓷的方法及碳化硅陶瓷，其目的在于通过对木质废料、含碳废料及含硅废料的高效综合利用，通过含硅废料气相反应烧结制备获得碳化硅，由此解决目前高成本、杂质污染、无法制备复杂结构的碳化硅陶瓷等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种废料3D打印制备碳化硅陶瓷的方法，包括下列步骤：

S1：将木质废料依次经过碳化、粉碎后得到木质碳粉；

S2：将所述木质碳粉与粘结剂混合，通过3D打印成形得到木质碳坯体；

S3：将含碳废料溶于有机溶剂中得到含碳溶液，将所述木质碳坯体浸入所述含碳溶液中进行溶液浸渍热解得到木质碳预制体；

S4：通过加热使含硅废料中硅蒸发得到气相硅，将所述木质碳预制体在气相硅中进行烧结得到碳化硅陶瓷。

优选地，在步骤S1中，所述木质废料为稻壳、秸秆、落叶、枯草、树枝、木块和木屑中的一种或几种。