碳化硅晶须

“晶须之王”碳化硅及其增韧复合材料
随着现代科技的迅速发展，航空航天、能源等领域对结构材料的性能提出了更高的要求。

因此，开发高韧性、耐磨、耐腐蚀及热/化学稳定性好的新型复合材料成为材料研究的热点之一。

其中，晶须增韧的复合材料由于其优异的性能而备受关注。

 SiCw素有“晶须之王”的美誉，具有高强度、高弹性模量等优点，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。

作为一种优良的补强增韧剂，SiCw增韧的金属基、陶瓷基及聚合物基复合材料已广泛运用到机械、化工、国防、能源、环保等领域。

 碳化硅晶须
 一、碳化硅晶须的性质
 SiC 晶须(SiCw )是一种直径为纳米级至微米级的具有高度取向性的单晶纤维，晶体结构与金刚石相类似，晶体内化学杂质少，无晶粒边界，晶体结构缺陷少，结晶相成分均一。

其具有高熔点、低密度、高强度、高弹性模量、低热膨胀率以及耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化能力强等特性。

主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合。

其相关指标见下表：
 SiCw 有α型(六方和菱方结构)和β型(面心立方结构)2 种晶型，β型各方面性能优于α型。

目前只有β-SiCw实现了工业化规模生产, 因此研究和使用的主要是β-SiCw。

 二、碳化硅晶须应用概况
 目前SiCw已广泛用于增韧金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料，SiCw 增韧的陶瓷切削工具己应用于生产。

专利名称：表面改性碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法
专利类型：发明专利
发明人：王继平,刘攀,张立学,杨建锋,史忠旗,王波,王红洁
申请号：CN201910572328.3
申请日：20190628
公开号：CN110304933A
公开日：
20191008
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种表面改性碳化硅晶须增韧反应烧结碳化硅陶瓷的制备方法，包括：1)碳化硅晶须表面改性；2)主要原料预分散；3)混料及干燥；4)干磨及过筛造粒；5)压制成型；6)炭化；
7)反应烧结，得到碳化硅陶瓷。

本发明制备的PyC‑SiC表面的热解碳涂层在反应烧结过程中与液硅发生反应在PyC‑SiC表面原位生成一层SiC涂层，SiC涂层将SiC与高温液硅相互隔离，避免了高温下液硅对SiC的侵蚀损伤问题，PyC‑SiC/RBSC陶瓷具有弯曲强度高、断裂韧性大、维氏硬度高的性能特点，是一种力学性能良好的陶瓷基复合材料。

申请人：西安交通大学
地址：710049 陕西省西安市咸宁西路28号
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：姚咏华
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碳化硅晶须氧化铝
碳化硅晶须氧化铝是一种新型的复合材料，由碳化硅晶须和氧化铝组成。

碳化硅晶须是一种具有高强度和高硬度的材料，而氧化铝则具有优异的导热性能和耐高温性能。

将这两种材料相结合，可以充分发挥各自的优势，提高材料的性能。

碳化硅晶须氧化铝在许多领域都有广泛的应用。

首先，在机械制造领域，碳化硅晶须氧化铝可以用于制造高速切削工具和陶瓷刀片。

由于碳化硅晶须具有高硬度和高强度，可以有效地提高切削效率和切削质量。

而氧化铝具有良好的导热性能，可以有效地降低切削温度，延长刀具的使用寿命。

碳化硅晶须氧化铝还可以应用于电子领域。

由于碳化硅晶须具有优异的导热性能，可以用于制造高功率电子器件的散热器。

同时，碳化硅晶须还具有良好的耐高温性能，可以在高温环境下稳定工作。

而氧化铝则可以提供良好的绝缘性能，保护电子器件的安全运行。

碳化硅晶须氧化铝还可以用于制造陶瓷复合材料。

由于碳化硅晶须具有高强度和高硬度，可以增加陶瓷材料的强度和硬度，提高抗压性能。

而氧化铝则可以填充陶瓷材料中的孔隙，提高材料的致密性和耐磨性。

碳化硅晶须氧化铝是一种具有广泛应用前景的新型复合材料。

它在机械制造、电子和陶瓷等领域都有重要的应用，可以提高材料的性
能和使用寿命。

随着技术的不断进步，碳化硅晶须氧化铝将会有更广阔的发展空间，为各个行业带来更多的创新和突破。

纳米碳化硅晶须单分子光谱∗张洪涛1陈 坤2（湖北工业大学，电气与电子工程学院通信工程系，武汉，430068）1（湖北工业大学，化学与环境工程学院，武汉，430068）2摘要 本文描述了SiC 纳米晶须的室温单分子光谱特征。

实验观察到其单分子光谱在400 nm-450nm出现强度极高的发射峰。

纳米碳化硅单分子光谱在第一峰出现位置与紫外线激发产生的发光特征吻合,但第二峰出现位置单分子光谱较近,而紫外激发谱较远。

可能是带间发射机制。

关键词 晶须 纳米碳化硅 单分子光谱 紫外激发0导言单分子光谱在量子通信中具有潜在重要意义。

纳米碳化硅晶须单分子光谱还未曾见到。

在德国KARLSRUHE大学实验室里进行了单分子光谱测量。

与紫外线激发纳米碳化硅纳米晶须光谱对比是有趣的。

1实验所用纳米碳化硅晶须直径为20 nm,平均长度为30 μm。

是用改进型PECVD制备的。

其详细的制备技术参见文献[1]。

单分子光谱测试是在KARLSRUHE大学光技术研究所单分子光谱仪进行的,所用激光波长是312 nm脉冲激光,脉冲周期为12 ns，单分子光谱仪器配置LABVIEW软件。

紫外线激发光谱仪为RF-5301紫外光谱仪上进行，激发光源波长范围是220nm~700nm。

2结果与讨论如图1所示,是碳化硅纳米晶须。

直径为10 nm – 60 nm，长度达到20μm。

100 nm图1 碳化硅纳米晶须TEM像∗湖北省教育厅重大项目资助（2001Z007），湖北省教育厅重点项目，湖北工业大学科研启动基金（2006[1]）图2 纳米碳化硅晶须的单分子光谱。

图2是纳米碳化硅晶须的单分子光谱，主峰出现在400 nm 处，在430 nm 出现一个肩膀，说明这一位置也是一个发光峰位。

单分子光谱表现出纳米晶体键振动形式与其它激发手段是类似的。

表明第一峰这一发射是带隙发射,而肩膀处可能是带间发射。

此外，衰减曲线表明，时间为300 ps。

这表明带隙光子驰豫是极快的。

碳化硅晶须长度直径碳化硅晶须是一种独特的材料，其具有多种特殊性质和应用潜力。

在本文中，我们将深入探讨碳化硅晶须的长度和直径对其性能的影响，以及其在不同领域中的应用。

通过对碳化硅晶须的全面评估，我们将能够更好地理解这一材料的深度和广度。

1. 什么是碳化硅晶须？碳化硅晶须是一种由碳化硅材料组成的纤维状结构。

它具有高温稳定性、高强度和优良的导热性能，使其成为许多高温、高压和高强度应用的理想选择。

2. 碳化硅晶须的长度对性能的影响碳化硅晶须的长度可以影响其力学性能和导热性能。

较长的晶须通常具有更高的强度和耐磨性，因为它们具有更大的断裂韧性和能量吸收能力。

长晶须也能提供更高的导热性能，因为它们具有更长的导热路径。

3. 碳化硅晶须的直径对性能的影响碳化硅晶须的直径也是影响其性能的一个重要因素。

较小直径的晶须通常具有更高的强度和刚度，因为它们具有更均匀的晶体结构。

小直径的晶须还能提供更高的比表面积，从而增加了与周围环境的接触面积，使其在某些应用中具有更好的吸附和催化性能。

4. 碳化硅晶须的应用领域由于碳化硅晶须具有优异的性能和多样的形态，它在许多领域都有广泛的应用。

以下是一些重要的应用领域：4.1 电子和半导体行业：碳化硅晶须可以用于制造高效的功率器件和高频电子组件。

其高温稳定性和导热性能使其成为高温电子设备的理想材料。

4.2 热管理：碳化硅晶须可以用作导热材料，用于散热器、热管和导热薄膜等热管理应用。

其高导热性能和机械强度使其能够有效地传递和分散热量。

4.3 光学和光子学领域：碳化硅晶须具有优异的光学性能，在光学纤维、光学膜和激光器等领域有着广泛的应用。

其高强度和高温稳定性使其成为光学元件的理想材料。

4.4 陶瓷增强：碳化硅晶须可以用于增强陶瓷材料的力学性能和耐磨性。

通过添加适量的碳化硅晶须，可以提高陶瓷的抗拉强度和断裂韧性。

5. 我对碳化硅晶须的个人观点和理解对于我而言，碳化硅晶须代表着一个全新的材料领域，具有许多令人兴奋的潜力。

碳化硅华东理⼯⼤学2010—2011学年第_2_学期《陶瓷基复合材料》课程论⽂ 2011.4班级__信材080__ 学号____________ 姓名____________开课学院__材料学院____ 任课教师__薛明俊___ 成绩__________摘要：绍了SiC晶须的定义，应⽤，以及其制备⽅法。

通过碳化硅晶须在氮化硅载体中原料冷等静压成型⼯艺、⽓氛压⼒烧结⼯艺合成碳化硅氮化硅复合材料，利⽤SMA观察了晶须的定向⽅向和复合材料的的断⼝形貌，实验结果表明，70%以上SiC晶须定向⾓在0~10之间，具有较好的⽅向性。

过⾼的烧结温度和晶须含量使材料抗弯强度降低，晶须定向⽅向的断裂韧性（单边切⼝垂直于定向晶须）⽐横向⽅向⾼出20%。

1000和500°C温差的热震实验表明，定向SiC晶须复合材料⽐随机SiC晶须复合材料的热抗震性能⾼的多。

关键词：陶瓷基复合材料；氮化硅；碳化硅晶须；热震性能1 引⾔氮化硅(Si3N4)陶瓷具有耐⾼温、抗氧化和抗热冲击等优良性能，在⾼温结构领域极具应⽤前景．然⽽，由于块体陶瓷本质上的脆性将导致结构件灾难性失效，其⾼温应⽤受到极⼤的限制．因此．改善和提⾼其断裂韧性成为Si3N4研究的主要⽬标．SiC晶须增韧Si3N4 陶瓷是提⾼其断裂韧性和性能稳定性的主要途径之⼀【“”．在晶须增韧复合材料中裂纹偏转、裂纹桥接和晶须拔出是主要的增韧机制．已有的研究表明，晶须增韧效果不仅取决于晶须的分散程度、晶须尺⼨和体积分数．⽽且与晶须的空间位置及⽅向性密切相关M】当晶须⽅向垂直于裂纹扩展⽅向时材料的抗弯强度和⾼温蠕变阻⼒提⾼，⽽平⾏于裂纹扩展⽅向时抗弯强度降低．进⼀步的研究表明，当SiC晶须体积分数⼀定时，晶须与某⼀⽅向的⾓度越⼩，此⽅向上的断裂韧性值越⼤．当晶须⽅向基本⼀致且晶须与基体界⾯弱连接时，此⽅向上的断裂韧性具有极⼤值阿因此，为了满⾜热结构件某些⽅向上的性能要求，可通过SiC晶须定向以制备出该⽅向上⾼性能的定向SiC。

碳化硅纤维结构从形态上分有晶须和连续纤维两种。

晶须是一种单晶，碳化硅晶须的直径一般为0.1～2um，长度为20～300um，外观是粉末状。

连续纤维是碳化硅包覆在钨丝或碳纤维等芯丝上而形成的连续丝或纺丝和热解而得到纯碳化硅长丝。

制备碳化硅长丝的制造过程是将聚硅烷在400℃以上，发生热转位反应，使侧链上的甲基以亚甲基的形式，导入主链的硅-硅间，形成聚碳硅烷,然后通过干法纺丝或熔体纺丝制成纤维。

为防止纤维在碳化过程中发生熔融粘接，须先在较低温度下作不熔化处理。

不熔化纤维在真空或惰性气体中加热至1200～1500℃，侧链的甲基与氢同时脱出后只留下硅-碳的骨架成分，并形成β-碳化硅结构的纤维。

最后进行上浆处理及集束卷绕。

上浆剂的种类视最终用途而定，用于增强塑料时上浆剂可选用环氧树脂，增强金属及陶瓷时则要求进一步在较低温度下将上浆剂热分解掉。

由—碳化硅细晶粒组成的连续纤维，可用气相沉积或纺丝烧结法制造。

性能碳化硅纤维的最高使用温度达1200℃，其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，强度达1960～4410MPa，在最高使用温度下强度保持率在80%以上，模量为176.4～294GPa，耐辐照和吸波性能，具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。

应用及发展趋势碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料，耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布等。

用做增强材料时，常与碳纤维或玻璃纤维合用，以增强金属（如铝）和陶瓷为主，如做成喷气式飞机的刹车片、发动机叶片、着陆齿轮箱和机身结构材料等，还可用做体育用品，其短切纤维则可用做高温炉材等。

碳化硅纤维复合材料较多应用于国防军工，主要包括：航空、航天等高技术领域，像先进战斗机、空天飞机、航空发动机、战术导弹和电子组件等，达到减重、提高工作温度、热膨胀系数匹配和提高热导率等目的。

就碳化硅纤维来说，今后的发展趋势，主要是从合成方法上简化工艺流程，制取加工性能优越的先驱体，改进工艺，降低成本，提高性能，开发用途。

53科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 工 业 技 术碳化硅晶须一般采用气相反应法和固体材料法生产,前者可以合成纯度较高的产品,有时可接近100%,后者投资和运行成本较低,易于生产控制,目前已广泛应用到实际中[1～3]。

但采用固体材料法生产出的晶须产品纯度很低,混杂有大量的碳化硅颗粒[4～5],利用碳化硅晶须和碳化硅颗粒的物理化学性质的不同达到分散的目的,是实现碳化硅晶须与颗粒分离的先决条件。

对于碳化硅产品的分散通常有研磨法、棒磨法、超声波分散和添加分散剂的方法。

研磨和棒磨会打断晶须产品,不适合采用[6]。

除了超声波分散外,可以采用添加分散剂的方法,既能起到分散的作用,又不会对晶须产生破坏[7]。

1 试验材料与方法1.1试验材料试验用碳化硅晶须和碳化硅颗粒样品取自徐州某公司由稻壳生产并提纯的的产品,碳化硅晶须提纯产品TE M照片见图1;六偏磷酸钠、水玻璃、木质素等分散剂均为工业纯试剂。

1.2研究方法试验采用自制沉降分析仪测定不同条件下分散率。

分散率的计算:将分散后的料液加入200mL量筒中,在t时刻观察清水层与下面絮体的分界面,记录分界面的高度,按下式计算分散率,η=ht/h 0,其中,h t 为t时刻记录高度;h 0为初始高度。

2 试验结果与讨论2.1碳化硅晶须和碳化硅颗粒的性质对比碳化硅晶须和碳化硅颗粒是同一种物质、同种晶型,它们之间的唯一差异就是形态。

由于形态的差异导致了一系列物理和化学性质的不同。

2.1.1碳化硅晶须和碳化硅颗粒的物理性质比较由稻壳热分解产生的碳化硅产品中,碳化硅晶须含量为30%左右,碳化硅颗粒含量约60%左右,其余的是碳、石英以及其它杂质[8]。

碳化硅晶须和碳化硅颗粒的物理性质如表1所示。

从碳化硅晶须和碳化硅颗粒的物理性质的比较可以看出,在密度和颜色等方面,晶须和颗粒区别不大,它们之间性质差异较大之处是它们的外形和堆密度,这是因为碳化硅晶须常相互交织在一起,近似于网状,所包含的孔隙大,相对地所占空间就大,使得它的堆密度比碳化硅颗粒的堆密度要小得多。