碳化硅晶须

碳化硅晶须是一种纳米级单晶纤维，具有无缺陷的晶体结构和优异的耐化学性，主要用于增强金属、陶瓷和聚合物复合材料的强度并提高断裂韧性。

煅烧后，根据 XRD、SEM 和 TEM 结果，b-SiC 晶须在堆叠断层消除和晶粒生长核出现方面有了显著改善，形成了大的片状 a-SiC 晶粒。

特点

碳化硅晶须是微米级的单晶纤维，可在外部载荷作用下传递应力，为航空航天、能源和国防工业中的金属、陶瓷和聚合物基复合材料提供加固。碳化硅晶须具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温氧化性，因此是一种极佳的增强和增韧剂。

碳化硅晶须在先进的结构陶瓷中发挥着越来越重要的作用，但对其在高温处理下的微观结构的研究仍然很少。我们使用 X 射线衍射 (XRD) 和扫描电子显微镜对温度超过 2000 摄氏度的碳化硅晶须进行了研究；通过 XRD 和扫描电子显微镜分析，原始晶须显示出严重的堆叠断层湮灭，形成了 b-SiC 晶粒，而部分 b-SiC 晶粒发生了相变，变成了六方棱柱和三角棱柱 a-SiC 晶粒。

由于这些晶须可用作增韧剂，因此将其用作增韧剂是一个很有前景的研究领域。添加到陶瓷基体中后，晶须会形成 a-SiC 和 b-SiC 的界面层，从而提高断裂韧性，同时降低裂纹扩展能量的耗散。

为了评估这种方法的效果，我们制作了两种晶须基复合材料：一种使用 Silar-SC-9 晶须，另一种使用 Tateho-SCW-1-S 晶须。为了评估它们的功效，将这些复合材料的 P-CMOD 曲线作为晶须用量的函数进行了研究；使用 Silar-SC-9 晶须制造的复合材料显示出更高的 CMOD 值，这表明它们已有效地分散到水泥基基质中，并填补了基质中的初始缺陷。

用 Tateho-SCW-1-S 晶须制成的复合材料显示出较低的 CMOD 值，表明晶须没有完全填充基体。对断裂表面的扫描电子显微镜分析表明，Silar-SC-9晶须的晶须拉出有限，而Tateho-SCW-1-S晶须则没有这种现象，这表明桥接和拉出过程有助于提高晶须增韧材料复合材料的断裂韧性。

应用

碳化硅（SiC）晶须已被开发为增强材料，用于提高聚合物复合材料（尤其是尼龙复合材料）的机械性能。与金属或陶瓷填料相比，碳化硅晶须具有更高的弹性模量、强度和硬度，以及更好的化学稳定性、耐腐蚀性和耐高温氧化性，甚至可以加入尼龙复合材料中以提高耐磨性。合成碳化硅晶须的方法多种多样，如碳热还原法、化学气相沉积法或稻壳等废料燃烧法，但在尺寸大小或纯度方面可能存在质量差异。

碳化硅晶须的生产需要原材料的最佳组合：高碳含量的煤焦、氧化铝和二氧化硅；稻壳因其丰富和相对低廉的成本而成为另一个有利来源。这些原料组合在一起后，首先必须在空气中灰化以除去多余的碳，然后在温度为 1350 C-1800 C 的连续散装系统中进行反应，最后用惰性气体吹扫，以防止水分进入并侵蚀炉壁。

图 1 描述了生产碳化硅晶须的连续散装系统。焦化稻壳被装入几个圆柱形容器 9 中，然后堆放在一个托盘 10 上。每个容器底部的弧形部分 11 由石墨材料制成，可承受与进料反应时遇到的高温，然后连续移动到脱水、加热和冷却区 14-18-19 进行反应，最后用惰性气体吹扫，以避免水分进入转化炉，阻碍晶须的生长。

当反应温度达到 1200 摄氏度到 1600 摄氏度之间时，一氧化碳气氛被氩气取代。这样就能生产出所需长度和直径的碳化硅晶须，然后用筛子将晶须与未反应的碳化硅颗粒分离，再用热水清洗、真空干燥、包装并准备分销。

安全

碳化硅是一种硬度极高的惰性材料，具有极佳的抗热震性，适用于汽车离合器或陶瓷防弹背心板等需要长期耐久性的应用。此外，碳化硅的这一特性还有助于生产 LED 和传感器，并可用作聚合物或钛合金等金属合金等复合材料的一部分。

吸入微尘颗粒会对健康造成潜在危害，因此在处理这种材料时应小心谨慎。例如，在处理碳化硅晶须时，强烈建议佩戴口罩和手套，因为其微粒可能通过吸入进入呼吸系统，可能导致刺激、炎症甚至永久性肺损伤。

对在工作中接触人造矿物纤维的工人进行的研究表明，接触与肺部病变（如肺癌）和碳化硅晶须（由于其大小和形状相似）之间存在相关性。虽然已经对碳化硅晶须对健康的潜在长期影响进行了研究，但还没有关于长期接触碳化硅晶须的流行病学研究。

正如预期的那样，SiC晶须使用V79中国仓鼠肺细胞进行了细胞活力测定。细胞存活率测定显示，SiCW-3S 比 SiNW 的毒性更大；此外，缺口翻译测定显示，所有受测晶须都能破坏 DNA，但其细胞死亡速度因晶须是否含有颗粒状、鳄梨状物质（SiCW-3 和 SiNW）而异。

关于碳化硅晶须对 PA6 复合材料影响的研究表明，添加 2 重量百分比的碳化硅晶须可显著提高拉伸强度、断裂伸长率、断裂韧性和延展性--这对于设计需要在破坏过程中产生较大变形的复合材料结构尤为有利。

生产

本发明涉及连续制造碳化硅晶须的方法和设备。本发明所述的工艺要求建立一个第一反应区，该反应区含有与碳或其前体均匀混合的二氧化硅微细颗粒，二氧化硅和碳的重量比约为 5 或更大。在第一反应区附近形成第二反应区，其中含有活性碳或可注入碳前体的多孔纤维质。碳前驱体与非活性碳之间的比例是这样的：与传统的固态碳化硅工艺相比，在这种材料形成晶须时，其纯度超过几个百分点。

研究人员发现，使用碱金属或碱土金属卤化物反应促进剂可以获得产量极高的碳化硅晶须，这种晶须具有极佳的分散性和较低的体积密度，当加热温度在 400 摄氏度至 700 摄氏度之间时，反应的成本效益更高，因为在较高温度下，晶体的形成占主导地位，反应速度会大大降低。此外，在 400 摄氏度至 700 摄氏度之间灰化的稻壳被证明是最有效的，因为在较高温度下结晶会优先形成，导致整体反应速度减慢。

由于二氧化硅与碳的摩尔比很大，反应仅限于产生二氧化硅。因此，不易挥发的杂质会留在未反应的二氧化硅中，而不会使碳化硅晶须受到氧化物的污染，从而使晶须具有极高的长径比，并将缩颈或分支等缺陷降至最低。

用这种方法生产的碳化硅晶须还可以很容易地用适当的方法制成板、棒、管、圆柱、球、丝或颗粒，用作陶瓷、金属和聚合物复合材料的增强或增韧材料，以提高硬度、强度、化学惰性、抗氧化性、热稳定性、尺寸稳定性和抗拉强度。此外，它还提供了一种简单而又经济高效的方法，可以生产出适用于这些领域的高质量晶须。