活性炭载阴离子合成碳化硅

　　碳化硅是一种共价结合的碳化物陶瓷，具有高硬度和耐磨性，耐温超过1600℃。由于这些特性，SiC对采矿、航空航天和高温电子应用等行业很有作用。然而，由于制造这种材料需要大量能量，因此正在研究其他更节能的方法。在这项研究中，碳化硅是由从溶液中吸附到活性炭上的硅酸盐阴离子合成的，并在保护气体气氛下渗碳。

　　碳化硅

　　碳化硅因其广泛的应用范围而成为许多研究和表征尝试的主题。硅和碳的尺寸相似，碳化硅的结构导致每个硅和碳原子被其他类型的四个原子包围。结果，碳化硅分子可以在单晶面上形成薄片。当另一个平面堆叠在前一个平面的顶部时，就会发生偏移，四面体形式的分子会发生偏移。由于这种变化而导致的分子排列称为多晶型，而一维等价物称为多型。当发生不同的分子位移时，会出现不同的碳化硅多型。当材料平面的一部分与同一平面上的其他分子未对齐时，材料中就会出现缺陷 。然而，当材料在晶格内的不同配置下稳定时，就会发生晶体多型。

　　图1：显示了原子可以采取的不同排列方式来形成碳化硅。

　　碳化硅合成方法

　　基本制造工艺是硅砂和冶金焦炭在碳导体周围混合和压实，形成SiC晶体。然后将最终产品粉碎至所需尺寸。

　　更先进的碳化硅合成技术和工艺已经被开发出来，用于特殊应用。这些特殊工艺可用于生产某种类型的碳化硅或生产特定形状的碳化硅复合物，如晶圆或纤维。

　　另一种方法是使用活性炭做前体，并将其与含硅的聚合物凝胶混合，以确保活性炭和硅前体之间充分接触。然后将这种糊状物加热到1400度°形成了碳和碳化硅晶须。制造碳化硅的其他方法利用了活性炭装载了二氧化硅，并提升到1400°C在25%H2的还原性气体气氛下，剩余气氛由氩气组成。在这两种情况下，碳化硅晶须都载入到活性炭。

　　活性炭

　　活性炭在水净化、污染控制、采矿等工业领域有很长的使用历史，这些用途来自活性炭的吸附特性，这是材料无序微观结构的结果。活性炭是碳的一种加工形式，具有显着的吸附性能。活性炭是通过在惰性气氛中对有机材料进行渗碳而生产的。当挥发性有机物燃烧时，它们会在碳材料中留下孔洞，从而使材料多孔。活性炭的表面可以想象成一个有缺陷和无序的石墨烯层。石墨烯通常是碳原子以六边形结构依次连接形成一个平面，其中几个平面堆叠在彼此的顶部，通过范德华力保持在一起。在活性炭的情况下，碳原子不是形成材料平面，而是以随机的三维结构连接，对其周围施加显着的范德华力，打开相邻的孔。

　　如图2所示，活性炭结构中的孔隙比它们的宽度长，增加分子在遇到孔隙末端之前受到范德华力影响的几率。当这种情况发生时，过大或形状不正确的分子无法进入这些孔隙。使用活性炭的产品被精心生产并设计用于特定应用，以利用一些分子可以通过孔隙形状来选择。

　　图2：活性炭的孔径和形状示例。

　　活性炭合成碳化硅

　　活性炭吸附能力可用于在工艺装置之前将有机或无机材料粘附到其表面。对活性炭进行浸渍是为了提高现有活性炭性能的有效性，为材料制备提供催化剂，或者用作惰性载体材料。目前的工作目标是减少制造碳化硅所需的能量，并更好地理解使用活性炭和硅酸钠水溶液制造碳化硅时促成碳化硅形成的变量。

　　最初的碳化硅合成实验在1100℃、1200℃、1300℃和1400℃的温度下进行。每个样品在氧化铝陶瓷船中测量为1g前体并装入管式炉中。一旦将炉子编程到合适的温度并且将氩气流量设置为0.5L/min，让样品渗碳4小时、6小时或8小时。

　　在放大运行中，由于管式炉内的物理约束限制了可用的工作区域，并且要求将船放置在气流方向而不是炉中的同一位置，因此使用了两个氧化铝船。每次都放在同一个空间并相互接触以试图消除变量。为了更好地了解动力学，对样品船进行了单独测试，并且仅与相同船放置的其他测试运行进行了直接比较。

　　制成的样品成像

　　对一个碳化硅样品进行扫描电镜(SEM)成像，以确定其表面白色物质的组成。在扫描电子显微镜下分析时，确定该材料为碳化硅纤维，范围为6-10µm。从炉中取出的样品如图3顶部所示，隔板下方的样品为活性炭。

　　图3：渗碳前后的样品图像。

　　气体从右向左流动，材料最常沉积在图像中的船1上。这说明材料从船1运送到船2并与样品表面的碳发生反应。一旦样品表面被碳化硅挤满，碳化硅就不能再与碳反应，而是将碳化硅吹出炉外。

　　图4上半部分显示了在1200℃下在Ar气下加热6小时的炉子运行样品。这些图像取自与吹扫气流接触最多的样品顶部。图4下半部分显示了在渗碳样品顶部发现的碳化硅结构的SEM 图像。这些图像描绘了在左侧生长的碳化硅链，以及在右侧似乎是这些链生长的成核位点。

　　图4：在图中描述的不同放大倍数下获取的碳化硅纤维的SEM图像，下面部分的碳化硅成核生长点簇。

　　所示的股线具有不均匀的纹理，表明碳化硅晶须由于气相而生长。还发现股线与通过炉子的气流一致，但是当安装在样品短管上进行观察时，很难保持纤维对齐特性。

　　使用活性炭载阴离子这种方法创建制造碳化硅纳米纤维，并使对渗碳行为进行建模。当温度高于1250℃时，模型显示出更高的产量，并且该温度与时间呈正相关。气体流速可能是一个重要的变量，如微观和宏观层面的样品组成所示。宏观水平的样品被证明在遇到气流的样品平面上有一层碳化硅生长。一旦在SEM下观察到该层，就会在气流方向上观察到更明确的晶须结构。这些物理观察结果，再加上在较高流速下获得的样品缺乏，表明可能存在中间气相，而流速是一个需要在未来工作中探索的变量。