管英富等Sc合成工艺及反应机理的研究 17 三相反应法。它是通过液相催化剂颗粒提高反应速度,修正晶须生长方向,提高晶须生成率。 获得成功的工艺大多数都采用这种方法,其反应温度在1400~1800℃之间,化学反应式为 SiO2+ 3C SIC(w+p)+2CO 目前,真正能批量生产BSCw的厂家主要有以下4家1:美国的 Advanced Composite Material公司和 American Matrix公司、日本 Tokai matrix公司和 Toteho Chemical Indust公 司。因为稻壳孔隙率大经处理后反应活性高,所以除 Tokai公司以炭黑和SiO2为原料合成 SiCw外,其余三家都以稻壳为原料,本文研究采用第二种方法,以稻壳为原料,金属钴粉(< 200目)为催化剂的主要成分合成SC 2实验研究 稻壳的主要成分为79%的有机物和21%的无机物。经过酸处理除杂质、中温炭化后的炭 化稻壳含54.6%的碳和44.1%的无定形SiO2,稻壳完全燃烧后稻壳灰含91.37%的无定形 SiO2来调整原料的碳硅比 实验在专门设计的气氛烧结炉中进行,其主要参数为:功率1200kV→A,炉膛尺寸 300mm×300mm,额定温度为2000℃,升温速度可以自动调节。 研究发现,影响βSicw合成的因素主要有:升温速度、反应温度、反应时间、硅碳比值、催 化剂用量、反应气氛等。根据试验结果,下面进行单因素讨论,以寻求优化的工艺参数 21反应温度 温度是合成 B-SiCw最重要的因素在1350℃以下,SO2的转化率很低,生成的βSCw极 少。在1350~1500℃范围内β-SiCw生成率有一定上升,但生成物中颗粒含量较高,原料利用 率低,不利于晶须提纯。到1650℃,SiO2转化率接近95%β-Siw生成率很高,接近35%。当 温度高于1650℃时β-siCw晶须产率没有明显增加,反应温度高于1800℃时,有少量aSiC生 成。考虑到设备负载能力,为了降低能耗,反应温度在16500附近β-SiCw产率高,反应速度 快,见图1。 2.2反应时间 在1650℃恒温温度下,反应的前2h,随着 反应时间的延长PSCw产率逐渐上升;而反应 进行到2h后βSiCw产率增加很少,曲线趋向 水平,反应基本进行完全。所以,恒温时间不宜 过长。以2h为宜。 2.3升温速度 由于温度是合成中最重要的因素,在1350 1500℃之间颗粒生成率较高,此温度范围内 应采用较快的升温速度,使反应在此温度区域 内停留时间较短,以减少颗粒的生成,提高晶须 产率。恒温温度采用1650℃进行实验,证明 升温速度为30℃min时,颗粒生成率较低,晶 须产率较高。升温速度过高,晶须产率并没有 B-SiCw and reaction temperature (reaction time) 明显提高反而对设备的损害较大,见图2。所 201994-2009ChinaAcademicjOumalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net三相反应法。它是通过液相催化剂颗粒提高反应速度 ,修正晶须生长方向 ,提高晶须生成率。 获得成功的工艺大多数都采用这种方法 ,其反应温度在 1400～1800 ℃之间 ,化学反应式为 : SiO2 + 3C SiC(w+p) + 2CO 目前 ,真正能批量生产β2SiCw 的厂家主要有以下 4 家[4 ] :美国的 Advanced Composite Material 公司和 American Matrix 公司、日本 Tokai Matrix 公司和 Toteho Chemical Indust 公 司。因为稻壳孔隙率大 ,经处理后反应活性高 ,所以除 Tokai 公司以炭黑和 SiO2 为原料合成 SiCw 外 ,其余三家都以稻壳为原料 ,本文研究采用第二种方法 ,以稻壳为原料 ,金属钴粉 ( < 200 目) 为催化剂的主要成分合成 SiCw 。 2 实验研究 稻壳的主要成分为 79 %的有机物和 21 %的无机物。经过酸处理除杂质、中温炭化后的炭 化稻壳含 54. 6 %的碳和 44. 1 %的无定形 SiO2 ,稻壳完全燃烧后稻壳灰含 91. 37 %的无定形 SiO2 来调整原料的碳硅比。 实验在专门设计的气氛烧结炉中进行 , 其主要参数为 : 功率 1200kV ·A , 炉膛尺寸 <300mm ×300mm ,额定温度为 2000 ℃,升温速度可以自动调节。 研究发现 ,影响β2SiCw 合成的因素主要有 :升温速度、反应温度、反应时间、硅碳比值、催 化剂用量、反应气氛等。根据试验结果 ,下面进行单因素讨论 ,以寻求优化的工艺参数。 2. 1 反应温度 Fig. 1 Relationship between the yield percentage of β2SiCw and reaction temperature (reaction time) 温度是合成β2SiCw 最重要的因素。在 1350 ℃以下 ,SiO2 的转化率很低 ,生成的β2SiCw 极 少。在 1350～1500 ℃范围内 β, 2SiCw 生成率有一定上升 ,但生成物中颗粒含量较高 ,原料利用 率低 ,不利于晶须提纯。到 1650 ℃,SiO2 转化率接近 95 %β, 2SiCw 生成率很高 ,接近 35 %。当 温度高于 1650 ℃时 β, 2SiCw 晶须产率没有明显增加 ,反应温度高于 1800 ℃时 ,有少量α2SiC 生 成。考虑到设备负载能力 ,为了降低能耗 ,反应温度在 1650 ℃附近 β, 2SiCw 产率高 ,反应速度 快 ,见图 1。 2. 2 反应时间 在 1650 ℃恒温温度下 ,反应的前 2h ,随着 反应时间的延长β, 2SiCw 产率逐渐上升 ;而反应 进行到 2h 后 β, 2SiCw 产率增加很少 ,曲线趋向 水平 ,反应基本进行完全。所以 ,恒温时间不宜 过长。以 2h 为宜。 2. 3 升温速度 由于温度是合成中最重要的因素 ,在 1350 ～1500 ℃之间颗粒生成率较高 ,此温度范围内 应采用较快的升温速度 ,使反应在此温度区域 内停留时间较短 ,以减少颗粒的生成 ,提高晶须 产率。恒温温度采用 1650 ℃进行实验 ,证明 , 升温速度为 30 ℃/ min 时 ,颗粒生成率较低 ,晶 须产率较高。升温速度过高 ,晶须产率并没有 明显提高 ,反而对设备的损害较大 ,见图 2。所 第 2 期 管英富等 :β2SiCw 合成工艺及反应机理的研究 171