[发明专利]一种利用流化床结合碳热还原反应制备碳化硅晶须的方法及其应用

说明书

本发明涉及碳化硅晶须制备技术领域，一种利用流化床结合碳热还原反应制备碳化硅晶须的方法，包括如下步骤：(1)流化床反应器加热，通入流化气体，并从流化床顶部加入硅源物料进行流化；(2)硅源物料稳定流化后从流化床底部通入碳源气体；碳源气体或碳源气体的裂解产物，与硅源物料或硅源物料的反应产物继续反应，形成碳化硅晶核；(3)碳化硅晶核在流化气体作用下向上输运，并附着在流化床反应器中上部区域，生长形成碳化硅晶须。本发明工艺流程简单，操作便捷，流化床反应器可实现规模化生产。本发明提供的晶须生产过程中无需催化剂，同时产物形成区域与硅源流化区域分离，有效的避免了产物中的硅源粉体的残留，可极大的提高产物的纯度。

技术领域

本发明涉及碳化硅晶须制备技术领域，具体地说，涉及一种碳化硅晶须的流化床结合碳热还原反应制备方法。

背景技术

碳化硅晶须具有很高的比强度和比弹性模量，兼具高熔点，耐腐蚀，耐氧化等特性，可作为增强增韧相使用于金属基，陶瓷基和高分子基复合材料中。目前碳化硅晶须的制备方法主要有碳热还原法，溶胶凝胶法和化学气相沉积法。

碳热还原法是将固体的硅源和碳源及一定的催化剂进行混合，在高温条件下通过反应形成碳化硅晶须，是目前制备碳化硅晶须的主流方法。但碳热还原法也存在诸多问题，包括：(1)反应产物中存在残留碳源，硅源和催化剂元素等杂质，后续需要复杂的分离提纯工艺流程；(2)所得产物中含有大量的碳化硅粉体颗粒，晶须产率不高；(3)由于反应空间受限，产物中有大量弯折晶须，产物表面不光滑，存在生长台阶，限制了其增强增韧效果的发挥。

气相沉积以一定的前躯体裂解形成碳化硅晶须，晶须本身质量较高，但在制备工艺上存在很大不足，主要表现在：(1)气相反应难以有效控制，产物的整体均一性较差；(2)需要同时通入催化剂，催化剂的通入方式复杂；(3)前躯体浓度较低，大批量生产制备困难。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种利用流化床结合碳热还原反应制备碳化硅晶须的方法，该方法能够工业化生产制备高纯度碳化硅晶须，本发明工艺流程简单，操作便捷，流化床反应器可实现规模化生产。本发明提供的晶须生产过程中无需催化剂，同时产物形成区域与硅源流化区域分离，有效的避免了产物中的硅源粉体的残留，可极大的提高产物的纯度。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，一种利用流化床结合碳热还原反应制备碳化硅晶须的方法，包括如下步骤：

(1)流化床反应器加热至1000℃～1700℃，通入流化气体，并从流化床顶部加入硅源物料进行流化；

(2)硅源物料稳定流化后从流化床底部通入碳源气体；碳源气体或碳源气体的裂解产物，与硅源物料或硅源物料的反应产物继续反应，形成碳化硅晶核；

(3)碳化硅晶核在流化气体作用下向上输运，与流化区分离，并附着在流化床反应器中上部区域，碳化硅晶核吸收流化床底部持续生成的硅源和碳源中间产物，生长形成碳化硅晶须。

优选的，所述硅源为二氧化硅、硅或者两者的混合物。

优选的，当硅源为二氧化硅与硅混合物时，二氧化硅与硅的摩尔比为10:1～1:1。

优选的，所述硅源为粉体或多孔微球，粒径100微米以下，微球直径为0.1～50mm。

优选的，所述碳源气体为一氧化碳、甲烷、乙炔以及丙烯中的任意一种或任意两种或两种以上。

优选的，所述硅源粉体加热温度优选为1200～1500℃。

优选的，所述流化气体为氩气、氢气或者氮气，流化气体与碳源气体的流量比为100:1～10:1。

优选的，所述流化气体与碳源气体的流量比优选为80:1～30:1。

优选的，所述流化床反应器为石墨材质的中空圆柱管，管直径为4～300cm，高度为0.6～2.0m。