1101706韩晓亮--SiC晶须制备
SiC晶须制备工艺的研究
SiC晶须制备工艺的研究陈旸;王成国;高冉冉;朱波【摘要】SiC whiskers were prepared on graphite matrix using commonand low-cost hydrogen silicone oil (H-PSO)as raw material,and the influence of different process parameters on the growth of SiC whisker was studied based on the crystallization fraction using orthogonal test method.The process parameters include heat treatmenttemperature(T),holding time(t),flow of protective atmosphere(f)and porosity of matrix(P).The morphology and structural characteristics of SiC whisker were also analyzed by SEM,TEM,RAMAN and XRD.The results show that the temperature is the most important factor that influences the growth of SiC whisker,followed by gas flow,porosity,holding time in proper sequence.The bigger gas flow in safe range makes generation reaction of SiC whisker sufficient,and smaller porosity benefits SiC crystal nucleus to grow up.Higher temperature and longer time are favorable to whisker continued growth.The SiC whisker is of core-shell structure with SiC phase as core and silicon oxide as the shell.%实验以高含氢硅油(H-PSO)为原料,在石墨材料表面制备SiC晶须,利用“正交试验法”以结晶率为指标,研究热处理温度(T)、保温时间(t)、保护性气氛流量(f)和基体孔隙率(P)这四个因素对SiC晶须生成的影响.通过扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱及X射线衍射等测试手段,分析了SiC晶须形貌及结构特点.实验结果表明,热处理温度是影响SiC晶须生成最重要的因素,其影响程度远远大于其他参数,其次是气流量、孔隙率和保温时间.安全流量范围内,较高的气流量使SiC晶须生成反应充分进行；较小的孔隙率有利于SiC晶核的长大；高的热处理温度及长的保温时间能促进SiC晶须的继续生长.SiC晶须是以SiC晶相为核,以硅的氧化物为壳的核壳结构.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2013(028)007【总页数】6页(P757-762)【关键词】石墨材料;SiC晶须;结晶率;正交试验法【作者】陈旸;王成国;高冉冉;朱波【作者单位】山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南250061;山东大学材料学院,碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学材料学院,碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学材料学院,碳纤维工程技术研究中心,济南250061;山东大学材料学院,碳纤维工程技术研究中心,济南250061【正文语种】中文【中图分类】TB33碳材料具有良好的导热性、热稳定性、抗辐射性等优异性能,并且在高温条件下仍能保持较高的机械性能[1],使其在航空航天及民用工业等领域具有广泛的应用。
SiC 晶须合成方法的研究进展
SiC 晶须合成方法的研究进展王慧芳;毕玉保;王军凯;段红娟;张海军【期刊名称】《耐火材料》【年(卷),期】2016(50)5【摘要】The reaction mechanism and the latest development of SiC whisker synthesis were introduced from the aspects of vapor-liquid-solid method,vapor-solid method,and liquid phase method.The develo-ping trend of SiC whisker synthesis was also prospected,and the future research emphases were also pointed out:in-situ synthesis of catalyzers,nano catalyzing and composite catalyzing.%从气－固－液合成法、气－固合成法和液相法三方面综述了 SiC 晶须合成的反应机制及最新进展，并在此基础上展望了SiC 晶须合成方法的发展方向，指出未来合成 SiC 晶须的研究重点应集中在催化剂的原位合成、纳米催化和复合催化方面。
【总页数】5页(P389-392,400)【作者】王慧芳;毕玉保;王军凯;段红娟;张海军【作者单位】武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉430081; 河南科技大学高温材料研究院河南洛阳 471003;武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉 430081; 河南科技大学高温材料研究院河南洛阳 471003;武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉 430081;武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉430081;武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉430081【正文语种】中文【中图分类】TQ175.75【相关文献】1.SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究进展 [J], 李喜宝;柯昌明;李楠2.SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究进展 [J], 李喜宝;柯昌明;李楠3.SiC晶须制备方法研究进展 [J], 郝斌4.SiC晶须分散工艺及SiC晶须／Y—TZP复合材料致密化的研究 [J], 罗伍文;黄勇5.SiC晶须增强铝复合材料研究进展 [J], 姚忠凯;耿林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
碳化硅晶须的制备及其在复合材料增韧中的应用
蔡 长 秀 等[17]用 该 法 制 备 了 SiCw，并 探 讨 了 不 同 炭黑与 SiO2 的摩尔比及合成温度对 SiCw 形成的影 响。结果表明：炭黑与 SiO2 的摩尔比为 3.3∶1、后处理 温度为 1 600 ℃时，SiCw 的生成量最高，晶须直径分 布均匀。 张洪涛等[18]用 sol-gel 法制备了长度为 40~ 80 nm， 长径比为 20~80 的 β-SiCw， 产物纯度达到 99.92%。 此法成本低廉、工艺简单、无污染，但晶须 容易形成团聚，分散性和结晶度差。
达到饱和后析出 SiC 晶核，随着反应的进行，进入融 压对晶须的直径有较大影响， 当生长温度为 1 250
球内的 SiC 分子不断向晶核叠加， 并在催化剂的控 制 下 ，通 过|ABCABC｜立 方 堆 积 方 式 ， 沿 <111> 面 生 长 成一定长径比的 SiCw[5]。 1.2 SiCw 的制备方法
SiCw 应具有适当的长径比， 对于二维排列的晶 须增韧补强的材料，晶须的临界体积反比于其长径
比[20]。 此外，还应尽可能降低 SiCw 的表面含氧量。 晶 须表面富氧会导致界面产生 SiO 玻璃相， 从而降低 拉拔效应，降低复合材料的强度和韧性。 2.2 晶须与基体在化学性质上相互匹配
SiCw 与基体在化学性质上相互匹配最重要的是 避免其与基体间的化学反应。 两者一旦发生反应会 产生新相，使界面结合力增强；由于新相与晶须和 基体间的体积差异，还会引起残余应力，降低界面 的剪切强度； 化学反应同样会使晶须的性能下降， 材 料 的 韧 性 降 低 [19]。 2.3 晶须应在基体中均匀分布
SiC晶须制备方法研究进展
SiC晶须制备方法研究进展郝斌【摘要】碳化硅晶须的制备已有众多研究.目前,国内制备SiC晶须的方法主要可分为两大类:气相反应法和固体材料法,每种制备方法都有其各自的特点.本文重点介绍了这两种制备方法的合成机理,以及相关制备方法取得的一些实验研究成果.【期刊名称】《陶瓷》【年(卷),期】2010(000)009【总页数】3页(P11-13)【关键词】碳化硅晶须;制备方法;实验成果【作者】郝斌【作者单位】唐山学院环境与化学工程系,河北,唐山,063000【正文语种】中文【中图分类】TQ174.75碳化硅的硬度高,耐磨性能好,并有抗热冲击性、抗氧化性能好等特点,是非常重要的研磨材料[1]。
碳化硅晶须(SiCw)是一种直径为纳米级至微米级的具有高度取向性的短纤维单晶材料,缺陷极少,其强度和模量接近晶体材料的理论值。
SiCw的密度为3.21 g/ ?,熔点大于2 700℃,抗拉强度为2 100 MPa[2]。
SiCw在导热性、热膨胀、耐压性以及导电性方面具有一系列优点。
因此,SiCw以其低密度、高熔点、高强度、高模量、低热膨胀率及耐腐蚀等优良特性成为各种先进复合材料的首选。
用SiCw增强、增韧的材料,在强度和硬度方面都会有很大改善。
SiCw已经广泛应用于国防、航空、电子工业、化学工业、能源等领域,它因其优越的性能倍受人们的青睐。
SiCw的晶体结构类似于金刚石,有六方晶系(α型)和体方晶系(β型)两种晶型结构。
β型各方面性能优于α型,如表1所示[3]。
目前,SiCw的制备方法主要可分为两大类[4]:①气相反应法。
即用含碳气体和含硅气体作为反应物,反应生成SiCw。
或分解一种含碳、硅的化合物或有机气体来合成SiCw。
气相反应法中应用最广泛的是气相沉积法(CVD法);②固体材料法。
即利用载气通过含碳和含硅的混合材料,在与反映材料隔开的空间形成SiCw的合成方法。
这种方法生产SiCw主要有VLS机理和VS机理。
气相反应法中应用最广泛的是化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition,CVD)法。
PIP工艺制备SiC晶须增强SiC_(f)SiC复合材料的性能
PIP 工艺制备SiC 晶须增强SiC f /SiC复合材料的性能姜卓钰1,2, 吕晓旭1,2, 周怡然1,2, 齐 哲1,2,高 晔1,2, 赵文青2,3, 焦 健1,2*（1．中国航发北京航空材料研究院 先进复合材料国防科技重点实验室 北京 100095；2．中国航发北京航空材料研究院 表面工程研究所 北京 100095；3．北京理工大学 材料学院 北京 100081）摘要：以不同界面层厚度的SiC 纤维为增强相，采用先驱体浸渍裂解工艺（PIP ）制备SiC f （PyC ）/SiC 复合材料，并在复合材料基体中引入SiC 晶须，对其性能进行研究。
结果表明：热解碳（PyC ）界面层厚度约为230 nm 时，SiC 纤维拔出明显，SiC f /SiC 复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa 、446.9 MPa 和11.4 MPa•m 1/2；在SiC f /SiC 复合材料基体中引入SiC 晶须后，晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗，使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。
关键词：碳化硅；复合材料；SiC 晶须；力学性能doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000081中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2021)02-0082-07SiC f /SiC 复合材料是以SiC 纤维为连续增强体，SiC 陶瓷为基体的复合材料，因此SiC f /SiC 复合材料既具有SiC 基体的耐高温、低密度、耐腐蚀及耐蠕变等优点，又具有较高的强度和模量。
相比于高温合金材料，SiC f /SiC 复合材料可以实现减重、提高燃气效率，因而在发动机叶片、机闸、高/低压涡轮盘、火焰稳定器和排气喷管等航空航天领域具有重要的应用潜力。
随着相关技术的不断发展，这些领域对SiC f /SiC 复合材料的工作环境温度、强度等需求逐渐提高，因此这类材料将会面临更为严苛的考验[1-6]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.2 SiCw 具有类似金刚石的晶体结构, 有α型(六方和菱方 结构) 和β型(面心立方结构)两种晶型。
表1 α型和β型SiCw 性能对比
晶须名称 晶须直径 /µm 晶须长度 /µm 密度/ （g/cm2） 耐受温度 /℃ 模量 /GPa 抗拉强度 /GPa 硬度 /Mobs
β-SiCw α-SiCw
0.05~0.2 0.1~1
10~40 50~200
3.22 3.22
1960 1800
480 392
20.8
12.9~13.7
9.5 9.2~9.5
结论： 结论：对比两种不同构型的晶须，可以看出β-SiCw晶须在耐 温、硬度、抗拉强度以及模量方面都要比α-SiCw晶须高得多。 所以β-SiCw晶须的制备和研究有着重要的意义。
3.2 合成温度的影响
实验研究发现，高温下(1600℃ 左右) 有利于碳化硅的 生成，但对晶须的生长不利. 晶须在1400℃ 左右才能生 长得比较充分, 所以较合适的工艺是首先直接升到高温 1600 ℃ 使之生成碳化硅晶枝, 然后立即降温到1400 ℃ 保温, 使得晶须能充分生长。
低温时，生成的SiC晶须表面光滑，外观较规整， 晶须平直；随着合成温度的升高，SiCw晶须的直 径逐渐变大，长径比变小，表面变得租糙，有的 晶须甚至径向出现竹节状结晶特征。
SiO2+ C→SiO + CO ；SiO2+ CO →SiO + CO2 CO2+ C→2CO ；SiO + C→SiC+ CO SiO + 3CO →SiC+ CO2 晶须的生长是通过反应SiO + 3CO →SiC+ CO2 的进
行. 上述反应连续循环, 最终生成SiCw。
2.3 VLS法合成SiCw的机理探讨 VLS法合成SiCw的机理探讨 法合成SiCw
生 成 碳 化 硅 的 VLS 机 理 示 意 图
VLS机理合成SiC晶须的生长过程分两步：
2.4 VS法合成SiCw的机理浅谈 VS法合成SiCw的机理浅谈 法合成SiCw VS机理是指反应体系通过气-固反应核生成晶须， 要满足一些先决条件（如具备氧化或者活化的气 氛，表面有小的颗粒，存在错位等）。原料SiO2 与C反应生成SiO和CO气体，同时SiO2自己发生分 解生成SiO和O2， O2与C反应成CO，随后一部分 SiO与C发生气-固反应生成SiC颗粒，另一部分与 CO发生气-气反应，生成SiC晶核与CO2气体，在 高温下，CO2与周围的C生成CO，在适宜的条件下 ，SiC晶核得以稳定存在并在一定方向上生长，最 终生长成晶须。整个过程为VS机理。
二、SiCw晶须的制应法合成SiCw , 化学气相沉积(CVD法) 技术应用得最为普遍, 可合成高纯度的SiCw , 可以 通过下列具体途径来实现。 1.1 有机硅化合物的热分解或氢还原
如Si (CH3 ) Cl,CH3SiCl3 等在1100～ 1500℃温度范围内的 热分解或氢还原,即：
四、碳化硅晶须的特性及应用领域
由于SiCw 具有优异的性能, 从而决定了SiCw具有多种用 途. 主要用作高强度、高硬度结构材料的增强、增韧。 SiCw 增强、增韧机理为, SiCw 作为第二相粒子均匀分布 在致密的基体材料中, 能与基体材料很好地匹配。 由于SiCw 在高温时具有很好的稳定性, 所以, 其增强、增 韧的复合材料在1000℃以上时仍然保持良好的力学性能. 如用来增强金属、陶瓷、树脂及尼龙等. 用SiCw 增强、增韧的材料, 其强度、硬度具有很大改善, 可广泛用于航空航天、军事和民用等众多工业领域. 其中 SiC 增强聚合物基复合材料可以吸收或透过雷达波, 可作 为雷达天线罩、火箭、导弹、飞机的隐身结构材料.
表3.4 升温速率对SiCw生成率的影响
可以看出，随着升温速率的提高，晶须的生成率相应提高。
3.5 加热方式的影响
加热方式的不同直接影响着碳化硅晶须的合成温度、合 成时间、晶须的形貌以及晶须的生成率。 加热中存在着比较大的温度梯度，在以“VLS”机理生长 晶须时会出现在较低的温度下，催化剂未形成液相而失活的 现象，从而造成晶须的生成率降低。
谢谢！
1.3 碳的热还原反应
利用简单的实验设备, 特殊的金属丝做触媒,以SiO 2 和C 为原料, 利用碳热还原反应生成SiO 和CO , 通过CVD 技 术合成SiCw.
2、固体材料法制备SiCw
固体材料法可以使用大量不同类型的原料催化剂 大规模、工业化生产SiCw , 主要通过气(V) -液(L)-固 (S) 机理(简称VLS机理) 和气(V)-固(S)机理(简称VS 机理) 来实现. 2.1 通过VLS机理合成SiCw 通过VLS机理合成SiCw VLS机理合成
2.5 VLS机理和VS机理的比较 VLS机理和VS机理的比较 机理和VS
VLS机理的特点在于晶须生长可根据催化剂位置和类型 加以控制,催化剂颗粒大则生成较大的晶须,且催化剂的化 学组成及表面特性也影响晶须的直径,两种机理的异同点 见下表2：
三、SiCw晶须制备的影响因素
3.1 原料配比的影响 硅碳比是碳化硅晶须制备的一个重要参量。 SiC的 生成反应为：Si02+3C=SiC+2CO，按化学计量比， 则SiO2:C(质量比)=5:3，但实际生产中为保证SiO2 充分反应，一般要求C过量。 碳过量有两个方面的作用： 一是有利于Si02尽可能全部转化为SiC，防止产物的 团聚和粘结； 二是可以防止反应SiC+2SiO2=3SiO+CO的发生，以 避免SiC产率的降低和杂质氧含量的增加。
3.3 合成时间的影响
制备的SiCw晶须，在1400℃的合成温度下，若恒温时间 少于1.5小时，SiC晶须含量较低；而合成时间大于3小时 ，SiC晶须产率也不再显著增加。因此，在1400℃时，SiC 晶须的适宜合成时间为3小时，此时合成产物中晶须含量 可以达到80％以上，并且晶须质量稳定。
3.4 升温速率的影响
VLS 机理是在Fe,Ni,NaF 等催化剂(助熔剂)作用下, 高温液相 中的硅与碳反应, 以过饱和原理析出SiCw晶须, 合成总反应式 如下:
SiO2+ 3C→SiC+ 2CO
2.2通过VS机理合成SiCw 通过VS机理合成SiCw 通过VS机理合成
通过VS 机理合成SiCw 只涉及固、气两相, 整个 生成过程不涉及液相存在, 过程中有如下反应:
CH3SiCl3 (气体) + H2 (载体) →SiC (晶须) +3HCl+ H2 (载体)
1.2 硅卤化物和烃类反应
SiCl4 等卤化物和CCl4 或烃类在1 200～ 1 500℃的温度 范围内的氢还原反应, 即：
SiCl4 (气体) + CxHy + H2→SiC (晶须) + HCl+〔C·H〕
碳化硅晶须合成简介
介绍人：韩晓亮 2012年4月10日
基本内容
◇ SiCw晶须制备的影响因素 ◇SiCw晶须制备的影响因素
一、概述
1.1 SiC晶须(SiCw ) 是一种直径为纳米级至微米级的具有高 度取向性的短纤维单晶材料, 晶体内化学杂质少, 无晶粒边界 , 晶体结构缺陷少, 结晶相成分均一, 长径比大, 其强度接近 原子间的结合力, 是最接近于晶体理论强度的材料, 具有很好 的比强度和比弹性模量.
表4
SiCw 先进复合材料的当前应用领域
五、碳化硅晶须的发展
发展现状： 发展现状： SiC 晶须有着高强度、高硬度、高模量、良好的化学 稳定性、耐磨耐腐蚀、抗高温氧化性等优良性能, 并且细小的晶 须有利于晶须与基体的复合, 以便更好地改善材料性能, 因此SiC 晶须作为各种类型高性能复合材料的补强增塑剂, 用其增强金属 基、陶瓷基和塑料基复合材料, 有着广阔的发展前景。 发展要求： 发展要求：改善晶须自身质量, 使完整β-SiCw 单晶的含量提高, 晶须中的缺陷少, 弯晶和（α+β）复晶的含量低, 晶须的直晶率高 , 直径、长短和长径比均匀, 杂质含量低. 同时降低加工成本, 开 发SiCw 增强、增韧的复合材料, 并使得SiCw 产量逐年增加, 以适 应市场需求.