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活性炭載陰離子合成碳化硅
碳化硅是一種共價(jià)結(jié)合的碳化物陶瓷,具有高硬度和耐磨性,耐溫超過1600℃。由于這些特性,SiC對(duì)采礦、航空航天和高溫電子應(yīng)用等行業(yè)很有作用。然而,由于制造這種材料需要大量能量,因此正在研究其他更節(jié)能的方法。在這項(xiàng)研究中,碳化硅是由從溶液中吸附到活性炭上的硅酸鹽陰離子合成的,并在保護(hù)氣體氣氛下滲碳。
碳化硅
碳化硅因其廣泛的應(yīng)用范圍而成為許多研究和表征嘗試的主題。硅和碳的尺寸相似,碳化硅的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致每個(gè)硅和碳原子被其他類型的四個(gè)原子包圍。結(jié)果,碳化硅分子可以在單晶面上形成薄片。當(dāng)另一個(gè)平面堆疊在前一個(gè)平面的頂部時(shí),就會(huì)發(fā)生偏移,四面體形式的分子會(huì)發(fā)生偏移。由于這種變化而導(dǎo)致的分子排列稱為多晶型,而一維等價(jià)物稱為多型。當(dāng)發(fā)生不同的分子位移時(shí),會(huì)出現(xiàn)不同的碳化硅多型。當(dāng)材料平面的一部分與同一平面上的其他分子未對(duì)齊時(shí),材料中就會(huì)出現(xiàn)缺陷 。然而,當(dāng)材料在晶格內(nèi)的不同配置下穩(wěn)定時(shí),就會(huì)發(fā)生晶體多型。
圖1:顯示了原子可以采取的不同排列方式來(lái)形成碳化硅。
碳化硅合成方法
基本制造工藝是硅砂和冶金焦炭在碳導(dǎo)體周圍混合和壓實(shí),形成SiC晶體。然后將最終產(chǎn)品粉碎至所需尺寸。
更先進(jìn)的碳化硅合成技術(shù)和工藝已經(jīng)被開發(fā)出來(lái),用于特殊應(yīng)用。這些特殊工藝可用于生產(chǎn)某種類型的碳化硅或生產(chǎn)特定形狀的碳化硅復(fù)合物,如晶圓或纖維。
另一種方法是使用活性炭做前體,并將其與含硅的聚合物凝膠混合,以確;钚蕴亢凸枨绑w之間充分接觸。然后將這種糊狀物加熱到1400度°形成了碳和碳化硅晶須。制造碳化硅的其他方法利用了活性炭裝載了二氧化硅,并提升到1400°C在25%H2的還原性氣體氣氛下,剩余氣氛由氬氣組成。在這兩種情況下,碳化硅晶須都載入到活性炭。
活性炭
活性炭在水凈化、污染控制、采礦等工業(yè)領(lǐng)域有很長(zhǎng)的使用歷史,這些用途來(lái)自活性炭的吸附特性,這是材料無(wú)序微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。活性炭是碳的一種加工形式,具有顯著的吸附性能。活性炭是通過在惰性氣氛中對(duì)有機(jī)材料進(jìn)行滲碳而生產(chǎn)的。當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)物燃燒時(shí),它們會(huì)在碳材料中留下孔洞,從而使材料多孔;钚蕴康谋砻婵梢韵胂蟪梢粋(gè)有缺陷和無(wú)序的石墨烯層。石墨烯通常是碳原子以六邊形結(jié)構(gòu)依次連接形成一個(gè)平面,其中幾個(gè)平面堆疊在彼此的頂部,通過范德華力保持在一起。在活性炭的情況下,碳原子不是形成材料平面,而是以隨機(jī)的三維結(jié)構(gòu)連接,對(duì)其周圍施加顯著的范德華力,打開相鄰的孔。
如圖2所示,活性炭結(jié)構(gòu)中的孔隙比它們的寬度長(zhǎng),增加分子在遇到孔隙末端之前受到范德華力影響的幾率。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),過大或形狀不正確的分子無(wú)法進(jìn)入這些孔隙。使用活性炭的產(chǎn)品被精心生產(chǎn)并設(shè)計(jì)用于特定應(yīng)用,以利用一些分子可以通過孔隙形狀來(lái)選擇。
圖2:活性炭的孔徑和形狀示例。
活性炭合成碳化硅
活性炭吸附能力可用于在工藝裝置之前將有機(jī)或無(wú)機(jī)材料粘附到其表面。對(duì)活性炭進(jìn)行浸漬是為了提高現(xiàn)有活性炭性能的有效性,為材料制備提供催化劑,或者用作惰性載體材料。目前的工作目標(biāo)是減少制造碳化硅所需的能量,并更好地理解使用活性炭和硅酸鈉水溶液制造碳化硅時(shí)促成碳化硅形成的變量。
最初的碳化硅合成實(shí)驗(yàn)在1100℃、1200℃、1300℃和1400℃的溫度下進(jìn)行。每個(gè)樣品在氧化鋁陶瓷船中測(cè)量為1g前體并裝入管式爐中。一旦將爐子編程到合適的溫度并且將氬氣流量設(shè)置為0.5L/min,讓樣品滲碳4小時(shí)、6小時(shí)或8小時(shí)。
在放大運(yùn)行中,由于管式爐內(nèi)的物理約束限制了可用的工作區(qū)域,并且要求將船放置在氣流方向而不是爐中的同一位置,因此使用了兩個(gè)氧化鋁船。每次都放在同一個(gè)空間并相互接觸以試圖消除變量。為了更好地了解動(dòng)力學(xué),對(duì)樣品船進(jìn)行了單獨(dú)測(cè)試,并且僅與相同船放置的其他測(cè)試運(yùn)行進(jìn)行了直接比較。
制成的樣品成像
對(duì)一個(gè)碳化硅樣品進(jìn)行掃描電鏡(SEM)成像,以確定其表面白色物質(zhì)的組成。在掃描電子顯微鏡下分析時(shí),確定該材料為碳化硅纖維,范圍為6-10µm。從爐中取出的樣品如圖3頂部所示,隔板下方的樣品為活性炭。
圖3:滲碳前后的樣品圖像。
氣體從右向左流動(dòng),材料最常沉積在圖像中的船1上。這說明材料從船1運(yùn)送到船2并與樣品表面的碳發(fā)生反應(yīng)。一旦樣品表面被碳化硅擠滿,碳化硅就不能再與碳反應(yīng),而是將碳化硅吹出爐外。
圖4上半部分顯示了在1200℃下在Ar氣下加熱6小時(shí)的爐子運(yùn)行樣品。這些圖像取自與吹掃氣流接觸最多的樣品頂部。圖4下半部分顯示了在滲碳樣品頂部發(fā)現(xiàn)的碳化硅結(jié)構(gòu)的SEM 圖像。這些圖像描繪了在左側(cè)生長(zhǎng)的碳化硅鏈,以及在右側(cè)似乎是這些鏈生長(zhǎng)的成核位點(diǎn)。
圖4:在圖中描述的不同放大倍數(shù)下獲取的碳化硅纖維的SEM圖像,下面部分的碳化硅成核生長(zhǎng)點(diǎn)簇。
所示的股線具有不均勻的紋理,表明碳化硅晶須由于氣相而生長(zhǎng)。還發(fā)現(xiàn)股線與通過爐子的氣流一致,但是當(dāng)安裝在樣品短管上進(jìn)行觀察時(shí),很難保持纖維對(duì)齊特性。
使用活性炭載陰離子這種方法創(chuàng)建制造碳化硅納米纖維,并使對(duì)滲碳行為進(jìn)行建模。當(dāng)溫度高于1250℃時(shí),模型顯示出更高的產(chǎn)量,并且該溫度與時(shí)間呈正相關(guān)。氣體流速可能是一個(gè)重要的變量,如微觀和宏觀層面的樣品組成所示。宏觀水平的樣品被證明在遇到氣流的樣品平面上有一層碳化硅生長(zhǎng)。一旦在SEM下觀察到該層,就會(huì)在氣流方向上觀察到更明確的晶須結(jié)構(gòu)。這些物理觀察結(jié)果,再加上在較高流速下獲得的樣品缺乏,表明可能存在中間氣相,而流速是一個(gè)需要在未來(lái)工作中探索的變量。
文章標(biāo)簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.本文鏈接:http://www.lqzzx.com/hangye/hy1008.html
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