微波法合成SiC纳米微粉

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1、第20卷第1期青岛化工学院学报Vol.20No.11999年3月JournalofQingdaoInstituteofChemicalTechnologyMar.1999X微波法合成SiC纳米微粉戴长虹杨静漪蔺玉胜(青岛化工学院应用化学系,青岛266042)摘要:以酚醛树脂、超细炭黑和超细SiO2为原料,用微波加热的方法合成了SiC纳米微粉,用X射线衍射、分析电镜等手段对SiC微粉进行了性能测定,比较并分析了不同的炭源和温度对SiC微粉性能的影响。关键词:碳化硅;纳米微粉;微波法中图法分类号:TQ16314SiC陶瓷具有耐高温、耐腐

2、蚀、耐磨、耐老化等性能,在高温领域有着广阔的应用前景,但其本身的脆性已不能满足现代技术发展的苛刻要求。纳米陶瓷材料的出现使这一问题的解决成为可能,因此如何制备纳米陶瓷微粉已成为人们日益感兴趣的热门课题。目前,制备SiC纳米微粉的方法主要有化学气相沉淀法、溶胶-凝胶法、激光法、等离子法[1]等,微波法少见报道。微波加热是利用微波在陶瓷介质中的能量损耗来进行的一种新型加热方式,与传统加热[2,3]相比有着巨大的优越性,主要表现在:传统加热多为热辐射或热传导,能量仅作用在样品的表面,整体升温必须通过热扩散来完成,因而加热速率低,加热时间长

3、;而微波加热时能量作用在整个被加热体上,内外同时受热,无需依赖热扩散,因此可实现快速整体加热,无热滞后现象。微波加热具有快速、高效、节能、省时、无污染等特点,因而得到国内外粉末冶金及陶瓷研究人员的重视。本研究用微波加热法合成了SiC纳米微粉,并对其性能进行了测定。1实验实验所用原料为SiO2超细粉和酚醛树脂以及炭黑超细粉。酚醛树脂为自制,提供高反应活性的炭源。微波加热是在多模谐振腔微波炉中进行的,微波源的频率为2.45GHz,最大输出功率为10kW。根据所用原料的不同,按两种不同的工艺进行试样制备:(1)将合成好的树脂溶入酒精中,根

4、据炭收率计算SiO2的加入量,使配料中炭过量4%~5%,然后装入球磨机中混磨20h。试-1样取出烘干后,在N2气氛保护下进行热分解,升温速度不大于3e#min,最终温度控制在900e左右。热解后的试样磨成细粉,再压成一定的形状,即可入炉。(2)炭黑与SiO2按化学计量配比混料,同时使炭黑过量4%~5%(质量分数),以酒精为介质球磨20h,烘干后,压制成X收稿日期:1998-01-15第一作者:戴长虹,男,33岁,博士,副教授26青岛化工学院学报第20卷型。-1试样装入微波炉后,首先抽真空,然后充入Ar至常压,最后以平均40e#min

5、的速度升温。通过保温体上的观测孔,用精密光学高温计直接测定样品表面的温度,测温误差为?20e。加热温度分别为1180e、1240e和1350e,恒温时间为20min。反应时间达到后,停止加热,随炉冷却至室温。合成好的试样,500e下空气中脱炭16h,在HF溶液中脱去SiO2。将得到的SiC,用X射线衍射法测定其组成,用X射线小角散射法确定其颗粒大小及粒度分布,用分析电镜观察其形貌,用化学分析法确定其化学组成。2实验结果与讨论X射线衍射测试结果表明,SiC的主要组成是B-SiC,占质量分数为95%左右,其余为A-SiC。这正如文献[4

6、]指出的,反应烧结(RS)法和化学气相沉积(CVD)法合成的SiC主要由B-SiC组成,但也总含有一定量的A-SiC。由X射线小角散射法测定结果可知(见图1),SiC颗粒的粒度分布在5~80nm范围内,质量分数为60%的颗粒小于20nm,90%的小于60nm。图1颗粒直径分布与累计质量分数的关系化学分析结果表明,试样中SiC的质量分数平均为9813%。2.1热力学分析及反应机理0)在C-SiO2体系中,将可能存在的化学反应及其标准反应自由能变$G与温度之间的关系一并列入表1中。表1S-iC-O体系的化学反应及标准反应自由能变$G0)

7、[5]Reaction$G0)(1)SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g)688254-344T1(2)SiO2(s)=SiO(g)+O2(g)802718-25812T21(3)C(s)+O2(g)=CO(g)-114363-8517T2(4)SiO(g)+2C(s)=SiC(s)+CO(g)-132770+33.9T(5)SiO(g)+3CO(g)=SiC(s)+2CO2(g)-465568+379T(6)CO2(g)+C(s)=2CO(g)167738-172T[6]Klinger等研究了在真空条件下1445~17

8、65e温度范围内SiO2和C之间的反应,结果表明反应所得到的SiC均为B晶型,SiC的形貌与反应物C的形貌几乎完全一样,不能从外观上对两者进行区分。并认为SiO2和C之间的反应既可以通过SiO2和C之间的直接接触而发生固-固反应(表1