一种碳化硅晶须的制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种碳化硅晶须的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳化娃晶须(silicon carbide whiskers，简称SiC。)的制备最早是采用成本昂贵的化学气相沉积法，1973年美国犹他大学的Cutler教授发明了一种廉价的生产方法，对碳化硅晶须的合成研究起了巨大地推动作用；1976年Cutler教授将该项专利技术转让给了艾克森石油公司(ACMC公司的前身)，碳化硅晶须的工业化生产和开发应用才慢慢发展起来。1979年前后日本开始生产碳化硅晶须，用炭黑和白炭黑等为原料的合成工艺也相继取得了成功。
[0003]20世纪80年代初，美国和日本实现了碳化硅晶须的大规模生产，并开发了金属基、陶瓷基和树脂基复合材料。目前，欧洲一些国家加大了碳化硅晶须的使用量，美国与日本在大量使用的同时也在大规模地生产碳化硅晶须。到1991年国际上有11家公司生产碳化硅晶须，美国有8家，日本有3家。规模较大、产量比较稳定的生产商主要有美国的ACMC、AMC公司和日本的Toka1、Tateho公司等四家，其中日本的Tokai公司是以炭黑为原料的，年设计生产能力为20.25吨，另外三家都是以稻壳作为原料。由于碳化硅晶须是高技术新材料，发达国家对此领域的相关技术是绝对保密的，资料不加以公开，不准参观工厂，也限制对外出口产品。
[0004]我国对碳化硅晶须的合成与研究起步较晚，最初也是用化学气相沉积法研制；1987年我国将碳化硅晶须的研制列为国家“863”高技术项目，中科院沈阳金属研究所承担此课题，采用Si02和炭黑为原料制备碳化硅晶须。1986年中国矿业大学北京研究生部以稻壳为原料于实验室研制成功了碳化硅晶须，1989年进入小型中试阶段，1991年底国家“863”高技术新材料专家委员会式把中矿大北京研究生部列入“八五”期间碳化硅晶须研究的01课题组；中科院上海硅酸盐研究所被列为02课题组，所使用的原料是炭黑和Si02。90年代后期，郑昌琼等开发出了连续化生产碳化硅晶须的绿色新工艺。
[0005]作为复合材料的一个特殊组分，晶须强化增韧是目前解决材料脆性的有效途径:与微米级颗粒相比晶须增韧效果更佳；与连续纤维相比，晶须强化增韧的工艺更为简便。
[0006]在众多的晶须材料当中，碳化硅晶须的研究最为深入。碳化硅晶须是一种针状的单晶纤维，晶体结构与金刚石相类似，具有熔点高、密度低、强度高、弹性模量大、热膨胀率低，以及耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化能力强等优良特性，被广泛应用到机械、化工、国防、能源和环保等诸多领域。
[0007]碳化硅晶须有η和13两种晶型，前者为六方和菱方结构，后者为面心立方结构；13-SiCw在耐高温、硬度、抗拉强度等方面要优于a_SiCw，所以13_SiCw的制备与研究就有着特别重要的意义。同碳化硅晶须的研究和生产一样，在碳化硅晶须增强复合材料的研究方面，美国、日本等几个发达国家也走在前面；我国这方面的研究始于“七五”期间，哈尔滨工业大学与中科院金属所主要进行碳化硅晶须增强金属基复合材料的研究；清华大学、中科院上海硅酸盐研究所着重于碳化硅晶须增强陶瓷基复合材料的研究，并已经开发成功了SiCw/Si02热交换器内衬、SiC.w/SiC机翼、SiCw/Si3N4发动机结构件等陶瓷基复合材料。
[0008]碳化硅晶须是通过高温反应得到的，其制备工艺复杂、技术难度大、投资维护费用高。因此，世界上许多碳化硅晶须的生产厂家已停止了碳化硅晶须的生产。据悉目前只有日本Tokai公司还有少量碳化硅晶须生产，但其产品被美国一公司包销。近几年，有许多美国公司到中国来求购碳化硅晶须，国内的许多大专院校和科研院所对碳化硅晶须也有迫切需求。因此，研究碳化硅晶须生产的新技术、新方法，实现碳化硅晶须的低成本、大规模生产，对促进国内外高性能复合材料的发展、高技术领域科学技术的进步和世界经济的繁荣都有重要的意义。
[0009]碳化硅晶须是高强度的一维单晶体，相比于其它晶须，它具有更高的强度和杨氏模量，作为增韧补强剂与陶瓷以及玻璃陶瓷等基体之间具有较好的物理相容性和化学相容性嘲，因而能产生显著的增韧补强作用，可以获得高性能的陶瓷基复合材料。
[0010]碳化硅晶须增韧补强陶瓷材料的机理主要有以下三种:
[0011](I)晶须桥接机理:是指晶须受外载的作用，在断开的裂纹面之间桥连，桥连的晶须在基体中产生使裂纹闭合的应力而消耗外界所做的功。
[0012](2)裂纹偏转机理:是指当裂纹尖端遇到弹性模量比基体大的晶须时，偏离原来的方向，沿两相界面或在基体内扩展，这种非平面断裂比平面断裂有更大的断裂表面，因而能吸收更多的能量，从而可提尚材料的断裂初性。
[0013](3)拔出机理:是指在外载作用下，晶须从基体中拔出，因界面摩擦而消耗外界载荷的能量，从而达到增韧的目的。
[0014]在碳化硅晶须增强陶瓷材料的研究中，最初主要以Ah03、Zr02等为基体材料。随着复合技术的不断成熟，基体材料又出现了 SiC、Si3N4等非氧化物材料。碳化硅晶须的加入使复合材料的断裂韧性、抗弯强度等性能有明显的改善，
[0015]碳化硅晶须增韧的陶瓷切削刀具材料，以其良好的断裂韧性和抗热冲击性能在切削高温合金等难加工材料方面表现出优异的性能，不但延长了刀具的使用寿命，而且切削效率远高于普通刀具，应用潜力十分巨大。
[0016]碳化硅晶须强化树脂基复合材料，可以提高材料的机械强度，改善材料的尺寸稳定性及耐热性、表面平滑性等，主要用于体育、娱乐用品及精密机械零件和汽车零件上，如碳化硅晶须增强树脂制成的高尔夫球拍和钓鱼竿被作为民用品在发达国家获得众多消费者的青睐。
[0017]碳化硅晶须增韧聚丙烯的体系进行了研究，指出聚丙烯基体与碳化硅晶须之间一系列的物理作用和化学作用，可以使界面处的粘附力得到加强，进而提高了材料的热性能和机械性能。
[0018]综上所述，美国、日本等国家碳化硅晶须的