用于陶瓷基体复合材料制造的硅向碳化硅的转化制造技术

公开了用于由烃产生碳化硅和陶瓷基体复合材料的技术和方法。在一个方面，该方法包括使用放置于室中的碳化硅纤维预成型为一定形状，抽空室导致硅和聚合物浆料进入室，以及对室进行加压，导致硅和聚合物浆料渗透碳化硅纤维。该方法包括加热室，以导致传送到室中的聚合物和烃热解成碳和氢气。来自热解聚合物和烃的碳在硅和聚合物浆料中的硅上提供碳涂层。该方法包括将室加热到较高温度，导致硅熔融并与碳反应形成碳化硅。所形成的碳化硅和碳化硅纤维形成陶瓷基体复合材料。维形成陶瓷基体复合材料。维形成陶瓷基体复合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于陶瓷基体复合材料制造的硅向碳化硅的转化
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利文件要求于2020年9月11日在美国专利商标局提交的美国专利申请No.17/018,921的权益和优先权。前述专利申请的全部内容以引用方式并入作为本申请的公开内容的一部分。


[0003]本专利文件涉及用于各种应用的碳化硅和陶瓷基体复合材料。

技术介绍

[0004]碳化硅用于各种各样的应用中，包括汽车离合器、陶瓷板、防弹背心、发光二极管、半导体检测器、核包壳和许多其它应用。各种现有的碳化硅生产方法往往是缓慢的过程，并且在某些情况下需要超过一千小时来生产碳化硅制品。需要新的技术来更快地生产碳化硅和陶瓷基体复合材料，以使碳化硅成为工业、科学和军事用途的更可行材料。

技术实现思路

[0005]本专利文件公开了用于由烃产生碳化硅和陶瓷基体复合材料的技术和方法。
[0006]在一个方面，提供了一种用于产生陶瓷基体复合材料的方法，并且包括将碳化硅预成型件放置于室中；使用真空抽空室以将硅颗粒和聚合物的浆料混合物引入室中，以接触碳化硅预成型件；对室进行加压，导致硅颗粒和聚合物浆料渗透在碳化硅预成型件的碳化硅纤维之间；将室加热到第一升高的温度，导致聚合物热解成碳和氢气，以使碳化硅预成型件的碳化硅纤维之间的硅颗粒致密化；将烃传送到室中，其中加热的室导致烃热解成碳和氢气，并导致来自热解的聚合物的碳以及来自热解的烃的碳涂覆(coated，包覆)在碳化硅预成型件的碳化硅纤维之间的硅颗粒上；当达到期望的硅:碳摩尔比时，停止传送烃；以及将室加热到第二较高的升高的温度，导致硅颗粒熔融并与碳反应形成碳化硅，以导致所形成的碳化硅和碳化硅纤维形成SiC陶瓷基体复合材料。
[0007]在另一方面，公开了一种产生用于碳化硅复合材料的碳涂覆的硅颗粒的方法。该方法包括将烃传送到含有硅粉末的室中，将室加热到第一温度，导致烃热解成碳和氢气，其中来自烃的碳在硅粉末上提供碳涂层，以及当硅:碳摩尔比达到1:1时，停止传送烃。
[0008]在另一方面，公开了一种用于产生碳化硅的设备。该设备包括被构造成包括中空内部的室，其中硅颗粒处于中空内部中。该设备还包括流体供应系统，该流体供应系统联接到室以可控制地向室中供应包括气体和/或液体的选定流体，该选定流体包括可分解成氢气和碳的第一流体。该设备包括加热系统，该加热系统联接到室以可控制地确定室内部的温度。该设备还包括控制系统，该控制系统联接到流体供应系统以控制选定流体向室中的供应，其中控制系统控制流体供应系统以使第一流体通过室，由此导致第一流体分解成所生成的氢气以及碳，该碳沉积到硅颗粒上以产生碳涂覆的硅颗粒。
[0009]在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了以上和其它方面以及它们的实
施。
附图说明
[0010]图1A描绘了根据一些示例性实施方案的使硅(Si)粉末转化成碳化硅(SiC)粉末的方法。
[0011]图1B描述了x射线衍射测量的实例，其显示在1000℃下甲烷(CH4)流动一小时后，存在元素Si且不存在SiC，并且在1100℃下额外加热三小时后，存在SiC且不存在元素Si。
[0012]图2A描绘了根据一些示例性实施方案的另一方法。
[0013]图2B描绘了根据一些示例性实施方案的用于产生SiC复合材料的方法。
[0014]图2C描绘了根据一些示例性实施方案的用于预成型和致密化Si/SiC复合材料的方法。
[0015]图2D描绘了根据一些示例性实施方案的用于预成型和致密化Si/SiC复合材料的另一方法。
[0016]图3描绘了来自残余气体分析仪的离子电流作为各种出口气体的温度的函数的示例图。
[0017]图4描绘了在1100℃下三小时后显示硅、碳以及碳化硅的材料的x射线衍射图的实例。
[0018]图5描绘了根据一些示例性实施方案的用于产生陶瓷基体复合材料的方法。
[0019]图6描绘了根据一些示例性实施方案的用于产生碳涂覆的硅颗粒的方法。
具体实施方式
[0020]公开了用于产生碳化硅(SiC)的技术和方法。
[0021]图1A描绘了根据一些示例性实施方案的用于使硅(Si)粉末颗粒120转化成SiC粉末颗粒140的方法100的实例。在图1A中，Si粉末在升高的温度下(例如，在约1000℃下)暴露于甲烷(CH4)以导致来自分解的甲烷的碳涂覆在Si粉末颗粒表面上。硅粉末可具有各种范围的粒度，包括例如从小于100纳米(nm)至微米的范围。烃材料110(例如CH4)被引导流入处于升高温度的含有Si粉末颗粒130的室或炉中，以导致烃材料110分解成碳和氢气，使得Si粉末颗粒130暴露于碳和氢气。室或炉中的升高的温度(例如，在1000℃下)被设定成分解烃材料110并导致Si粉末颗粒130上的碳涂层，但没有设定得足够高以导致涂覆的C和Si粉末颗粒130显著转化成SiC。该过程可被控制在足够长的时间段(例如，约一小时)内发生，以导致C渗透到Si粉末中并涂覆到Si粉末颗粒130的表面上。一旦碳涂层足够，就终止CH4流，并且将惰性气体如氩气(Ar)引导到室或炉中，并使室或炉的温度升高到高于1000℃(例如1100℃)的第二较高的升高温度，以导致涂覆的碳与Si粉末颗粒130的Si进行反应。该转化过程可被设定得足够长，例如三小时，并且该过程使碳涂覆的Si转化成β
‑
SiC 140。在150显示的是在以上涂覆和转化过程之前的Si粉末的实例的照片，而在160显示的是转化的SiC粉末的实例的照片。
[0022]图1B描绘了x射线衍射测量的实例，在170显示了在1000℃下，在CH4流入Si粉末中一小时之后，在室中仅存在元素Si，但没有检测到显著的SiC。图1B在180进一步显示，在CH4流终止之后，在Ar气体中于1100℃下加热额外三小时之后，在室中存在SiC，而没有元素Si
显著存在于室中。
[0023]以上方法可以使用各种SiC结构来实现，以基于图1A中的方法产生SiC。图2A至2D示出了一些实例。
[0024]图2A描绘了根据一些示例性实施方案的通过使用Si粉末将Si转化成SiC的方法的实例。在图2A中，Si粉末210被1000℃下来自甲烷(CH4)热解(也称为分解)的C 227在Si粉末表面上涂覆。氢气(H2)225也在CH4分解中产生。硅粉末210可具有小于25微米的粒度。在一些具体实施中，硅颗粒的尺寸可小于100纳米(nm)。在一些其它实施中，硅和聚合物浆料中的硅颗粒可被结构化成具有20纳米(nm)至25微米的尺寸。然后，将C涂覆的Si 215加热到Si的熔点1414℃以熔融Si。熔融的Si与C涂层反应形成SiC，以产生SiC 220的附聚体而非分离的SiC颗粒。前述SiC的产生可用以下方程表示：
[0025]Si
(l)
+C
(S)
→
SiC
(s)
方程1。
[0026本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.产生陶瓷基体复合材料的方法，其包括：将碳化硅预成型件放置于室中；使用真空抽空所述室以将硅颗粒和聚合物的浆料混合物引入所述室中，以接触所述碳化硅预成型件；对所述室进行加压，导致所述硅颗粒和聚合物浆料渗透在所述碳化硅预成型件的碳化硅纤维之间；将所述室加热到第一升高的温度，导致所述聚合物热解成碳和氢气，以使所述碳化硅预成型件的碳化硅纤维之间的硅颗粒致密化；将烃传送到所述室中，其中加热的室导致所述烃热解成碳和氢气，并导致来自热解的聚合物的碳以及来自热解的烃的碳涂覆在所述碳化硅预成型件的碳化硅纤维之间的所述硅颗粒上；当达到期望的硅:碳摩尔比时，停止传送所述烃；以及将所述室加热到第二较高的升高的温度，导致所述硅颗粒熔融并与碳反应形成碳化硅，以导致所形成的碳化硅和碳化硅纤维形成SiC陶瓷基体复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为约1000℃。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为约1414℃。4.根据权利要求1所述的方法，其包括：在所述硅和聚合物浆料中使用粒度为20纳米(nm)至25微米的硅颗粒。5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述室加热到所述第二温度导致所述熔融硅与碳之间的反应，所述反应表示为：Si
(l)
+C
(s)
→
SiC
(s)
。6.根据权利要求1所述的方法，其还包括：在停止传送所述烃之后，将氩气传送到所述室中。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述烃包含甲烷(CH4)。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述烃包含：柴油、汽油、JP8、煤油、天然气、丙烷、乙烷、丁烷、或另一种烃气体。9.产生用于碳化硅复合材料的碳涂覆的硅颗粒的方法，其包括：将烃传送到含有硅粉末的室中；将所述室加热到第一温度，导致所述烃热解成碳和氢气，其中来自所述烃的碳在所述硅粉末上提供碳涂层；以及当达到期望的硅:碳摩尔比时，停止传送所述烃。10.根据权利要求9所述的方法，其还包括：制备包含碳涂覆的硅颗粒和聚合物的浆料；以...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：