一种β-碳化硅晶须的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种β‑碳化硅晶须的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将含有硅酸盐的硅源与水玻璃混合均匀，进行反应，得到混合溶胶；(2)将碳源加入步骤(1)得到的混合溶胶后混合，制得湿凝胶，静置老化、干燥，得到干凝胶前驱体；(3)将步骤(2)得到的干凝胶前驱体进行碳热还原反应，得到粗制碳化硅粗；(4)将步骤(3)得到的粗制碳化硅除去杂质，得到所述β‑碳化硅晶须。本发明专利技术以粉煤灰、煤矸石等工业废料或富硅类硅酸盐矿物与水玻璃结合使用，实现了废料的再利用以及矿物的资源化和高值化利用，具有很好的经济和环境效益。

Preparation of a kind of beta-silicon carbide whisker

【技术实现步骤摘要】
一种β-碳化硅晶须的制备方法
本专利技术属于工业固体废弃物资源化利用和新型陶瓷材料专利
，涉及一种β-碳化硅晶须的制备方法。
技术介绍
粉煤灰是一种燃煤电厂产生的固体废渣，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。据统计，我国2015年粉煤灰排放量已达6.2亿吨。虽然我国对粉煤灰的利用率高达70％，但仍有大量粉煤灰堆存，造成了严峻的环境污染问题。目前粉煤灰主要用作水泥等大宗建材的原料、矿井回填的掺加料、塑料橡胶的添加剂等，其消耗几乎全部依赖传统途径，存在技术含量低、产品附加值低的问题。粉煤灰作为一种富含硅组分的二次资源，亟待开发其高值化利用技术。碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。在各类碳化硅产品中，纤维状碳化硅由于可以用作塑料基体、金属基体或陶瓷基体的增强和增韧相，因此具备独特的技术重要性。在纤维状碳化硅产品中，碳化硅晶须是一种晶体内部缺陷少，有一定长径比的单晶纤维，它具有相当好的抗高温性能和很高的强度，因此是最重要的一类碳化硅产品。目前已经发展了许多制备碳化硅晶须的反应，比如热解有机前驱体反应、电弧放电反应、化学气相沉积反应、激光烧蚀反应、溶剂热反应、镁热还原反应、碳热还原反应等。其中碳热还原反应由于原料适应性广、无需有毒有机前驱体、设备要求低等特点，被认为是最适合工业应用和推广的一种反应方法。众多研究者对利用碳热还原反应制备碳化硅纤维进行了积极的探索，取得了很多原创性的研究成果，但是仍存在很多待解决的问题，比如所需原料成本高，原料反应活性低导致的反应温度高和反应时间长，产品部分呈非纤维形貌，产品晶型差引起的力学性能下降等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种β-碳化硅晶须的制备方法。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种β-碳化硅晶须的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将含有硅酸盐的硅源与水玻璃混合均匀，进行反应，得到混合溶胶；(2)将碳源加入步骤(1)得到的混合溶胶后混合，制得湿凝胶，静置老化、干燥，得到干凝胶前驱体；(3)将步骤(2)得到的干凝胶前驱体进行碳热还原反应，得到粗制β-碳化硅晶须。在本专利技术中，将水玻璃与含有硅酸盐的硅源进行活化反应得到混合溶胶，水玻璃作为硅酸盐的活化剂，用来活化其硅酸盐骨架结构并且与之结合成为均匀的混合溶胶，这种混合溶胶在后续的碳热还原过程中是一种活性非常高的硅源，可以降低碳热还原反应所需要的反应时间和温度，进而节约反应成本。在本专利技术中，步骤(1)所述含有硅酸盐的硅源中SiO2的含量为20-90wt％，例如20wt％、35wt％、55wt％、60wt％、70wt％、80wt％、90wt％等。优选地，所述含有硅酸盐的硅源包括粉煤灰、煤矸石、高岭土或膨润土中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选粉煤灰。粉煤灰、煤矸石、高岭土或膨润土等为富硅类硅酸盐，其来源广泛，成本低，经过水玻璃活化处理后可以作为碳热还原的硅源使用，水玻璃也同样为一种价格低廉，广泛易得的工业原料，水玻璃与粉煤灰、煤矸石等工业废料或富硅类硅酸盐矿物结合使用，实现了废料的再利用以及矿物的资源化和高值化利用，具有很好的经济和环境效益。在本专利技术中，步骤(1)所述水玻璃为硅酸钠水溶液和/或硅酸钾水溶液。优选地，步骤(1)所述水玻璃的模数为2.4-3.3(例如2.4、2.5、2.6、2.8、3.0、3.2、3.3等)，密度为1.36-1.50g/cm3(例如1.36g/cm3、1.38g/cm3、1.40g/cm3、1.42g/cm3、1.45g/cm3、1.50g/cm3等)。优选地，在步骤(1)中，所述含有硅酸盐的硅源与水玻璃的质量比为1:(3-10)，例如1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10等。在本专利技术中，步骤(1)所述反应的温度为10-90℃，例如10℃、25℃、35℃、50℃、65℃、70℃、80℃、90℃等。优选地，步骤(1)所述反应的时间为1-48h，例如1h、5h、10h、15h、20h、25h、30h、25h、40h、45h、48h等。在本专利技术中，步骤(2)所述碳源为活性炭和/或炭黑。优选地，在步骤(2)中，所述碳源中C与混合溶胶中SiO2的摩尔比为(1-10):1，例如1:1、1:3、1:5、1:7、1:8、1:10等。优选地，步骤(2)所述静置老化的时间为0.5-12h，例如0.5h、1h、3h、5h、6h、8h、10h、12h、13h、15h等。优选地，步骤(2)所述干凝胶前驱体的含水量小于1wt％，例如0.9wt％、0.5wt％、0.08wt％、0.05wt％、0.02wt％、0.01wt％等。在本专利技术中，步骤(3)所述碳热还原反应在惰性气体气氛中进行。优选地，所述惰性气体为氩气或氦气。优选地，步骤(3)所述碳热还原反应为在1400-1800℃反应1-8h，所述1400-1800℃可以是1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃等，所述1-8h可以是1h、3h、5h、6h、7h、8h等。在本专利技术中，步骤(3)之后进行步骤(4)：将步骤(3)得到的粗制β-碳化硅晶须除去杂质，得到所述β-碳化硅晶须。优选地，步骤(4)所述除去杂质包括除去残余碳源和除去残余硅源。优选地，所述除去残余碳源的方法为在700-1000℃下反应1-5h，所述700-1000℃可以是700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃等，所述1-5h可以是1h、2h、2.5h、3h、4h、5h等。优选地，所述除去残余硅源的方法为在酸溶液中浸泡。优选地，所述酸溶液为质量分数为40％的氢氟酸溶液和质量分数为37％的盐酸溶液按体积比(1-5):1(例如1:1、2:1、3:1、4:1、5:1等)混合得到的混合酸溶液。优选地，所述浸泡的温度为20-60℃，例如20℃、30℃、35℃、40℃、50℃、60℃等。优选地，所述浸泡的时间为1-12h，例如1h、3h、5h、8h、9h、10h、12h等。优选地，在浸泡时，液固体积质量比为3-10mL/g，例如3mL/g、5mL/g、7mL/g、9mL/g、10mL/g等。作为优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：(1)将含有硅酸盐的硅源与水玻璃按照质量比为1:(3-10)混合均匀，在10-90℃下反应1-48h，得到混合溶胶，其中水玻璃的模数为2.4-3.3，密度为1.36-1.50g/cm3；(2)将碳源加入步骤(1)得到的混合溶胶后搅拌，得到湿凝胶后，静置老化0.5-12h后进行干燥，得到含水量小于1wt％的干凝胶前驱体，其中碳源中C与混合溶胶中SiO2的摩尔比为(1-10):1的比例；(3)将步骤(2)得到的干凝胶前驱体在惰性气体气氛中，1400-1800℃反应1-8h，得到粗制β-碳化硅晶须；(4)将步骤(3)得到的粗制β-碳化硅晶须在700-1000℃下反应1-5h除去残余碳源，在20-60℃的酸溶液中浸泡1-12h除去残余硅源，浸泡时的液固体积质量比为3-10mL/g，得到所述β-碳化硅晶须。相对于现有技术，本专利技术具有以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种β‑碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将含有硅酸盐的硅源与水玻璃混合均匀，进行反应，得到混合溶胶；(2)将碳源加入步骤(1)得到的混合溶胶后混合，制得湿凝胶，静置老化、干燥，得到干凝胶前驱体；(3)将步骤(2)得到的干凝胶前驱体进行碳热还原反应，得到粗制β‑碳化硅晶须。

【技术特征摘要】
1.一种β-碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将含有硅酸盐的硅源与水玻璃混合均匀，进行反应，得到混合溶胶；(2)将碳源加入步骤(1)得到的混合溶胶后混合，制得湿凝胶，静置老化、干燥，得到干凝胶前驱体；(3)将步骤(2)得到的干凝胶前驱体进行碳热还原反应，得到粗制β-碳化硅晶须。2.根据权利要求1所述的β-碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含有硅酸盐的硅源中SiO2的含量为20-90wt％；优选地，所述含有硅酸盐的硅源包括粉煤灰、煤矸石、高岭土或膨润土中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选粉煤灰。3.根据权利要求1或2所述的β-碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述水玻璃为硅酸钠水溶液和/或硅酸钾水溶液；优选地，步骤(1)所述水玻璃的模数为2.4-3.3，密度为1.36-1.50g/cm3；优选地，在步骤(1)中，所述含有硅酸盐的硅源与水玻璃的质量比为1:(3-10)。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的β-碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述反应的温度为10-90℃；优选地，步骤(1)所述反应的时间为1-48h。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的β-碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳源为活性炭和/或炭黑；优选地，在步骤(2)中，所述碳源中C与混合溶胶中SiO2的摩尔比为(1-10):1；优选地，步骤(2)所述静置老化的时间为0.5-12h；优选地，步骤(2)所述干凝胶前驱体的含水量小于1wt％。6.根据权利要求1-5中的任一项所述的β-碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述碳热还原反应在惰性气体气氛中进行；优选地，所述惰性气体为氩气或氦气；优选地，步骤(3)所述碳热还原反应为在1400-1800℃反...

【专利技术属性】
技术研发人员：马淑花，罗扬，王晓辉，郑诗礼，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11