论文部分内容阅读
SiC是性能优越的结构功能一体化材料,传统合成方法高耗能、高污染,无法满足高端产品需求。论文采用微波加热技术,具有加热速率快、环保节能等优点,选用不同碳源材料,探索合成SiC,主要研究内容和结果如下:分别选用工业煤、活性炭、石墨片作为三种不同碳源材料,正硅酸乙酯作为硅源,对碳源材料进行不同的处理方式和不同原料混合,获得不同混合结构的合成原料。微波加热过程中通过调节输入功率调节加热速率,合成温度分别设定在1000-1700 ℃,保温时间为0-120 min。分别采用XRD,Raman,SEM,TEM等分析方法对样品组分、结构、形貌等进行表征,同时分析了合成样品的介电以及电磁波吸收性能。实验表明,微波合成SiC加热过程大致出现4个阶段:（1）加热起始阶段的热积累（<600 ℃）,（2）快速加热阶段的热剧变（600～900 ℃）,（3）高温生长阶段（900～1100 ℃）和（4）保温阶段。不同碳源合成原料引起微波加热行为出现差异。分别表现为:不同碳源材料引起加热速率不同,热剧变现象不同。在同样输入功率水平下,采用工业煤颗粒、活性炭颗粒和石墨片作为碳源,实际反射功率变化趋势不同,到达600 ℃的时间分别为31分钟,6分钟和9分钟;热剧变起止温度分别是600-900 ℃,600-1100 ℃,600-1100 ℃。合成原料质量、原料颗粒尺寸大小、添加高介质损耗SiC作为晶种、Al N加热助剂等都会引起加热时间、热剧变等加热行为产生变化。这些加热行为差异与微波耦合热、微波等离子体、局部电场增强等特殊微波加热效应相关。不同的微波加热行为以及微波加热效应会引起晶体生长机理的变化,最终引起SiC样品组分、结构、形貌以及介电和吸波性能的改变。通常情况下,微波合成SiC呈现颗粒状、晶须状等,分别对应于不同的形核与生长机理,与微波加热效应有关。加热低温阶段的微波耦合热效应引起合成原料内热积累,到一定温度时激发C@Si O2界面反应,生成Si O和CO气体,大量气体积累激发微波等离子体,引起局部瞬间高温,促使Si O和CO气相反应形成SiC晶核和O2气体。一方面,SiC晶核在添加的晶种表面沉积生长,形成大的颗粒;另一方面,新生成的O2沿C@Si O2界面扩散,带动SiC晶核沿扩散方向定向排列并持续生长,形成SiC晶须。Al N添加介质加热过程中分解产生的气体,诱导合成SiC晶须。相对于颗粒状SiC样品,SiC晶须具有更加优异的介电性能和吸波性能。结果表明,不同碳源微波合成SiC的最佳合成工艺略有差异,参考SiC合成样品的吸波性能,工业煤碳源微波合成温度约为1100 ℃,保温20 min,添加10%Al N活性炭碳源微波合成温度约为1100 ℃,保温10 min,石墨片碳源微波合成温度约为1300 ℃,保温10 min。