崔賀帥，鄭 彧，劉杏娥，楊淑敏，田根林，馬建鋒

(1 國際竹藤中心，北京 100102； 2 北京中材人工晶體研究院有限公司，北京 100018)

生物質基SiC陶瓷制備的研究進展

崔賀帥1，鄭 彧2，劉杏娥1，楊淑敏1，田根林1，馬建鋒1

(1 國際竹藤中心，北京 100102； 2 北京中材人工晶體研究院有限公司，北京 100018)

傳統(tǒng)工藝制備的碳化硅(SiC)陶瓷性能優(yōu)異，應用前景廣闊，但高溫制備造成的成本增加限制了其進一步發(fā)展。相比之下，生物質因其自身豐富的孔隙結構成為低溫制備SiC陶瓷的理想替代品。本文綜述了生物質基SiC陶瓷的結構特性、制備方法、熱解機理和影響因素，并探討碳源和硅源預處理、熱解工藝以及應用研究等在制備生物質基SiC陶瓷中存在的問題和發(fā)展趨勢。

生物質；SiC陶瓷；制備方法；熱解機理

SiC陶瓷是一種通過共價鍵結合的高新陶瓷材料，具有極高的硬度和機械強度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學惰性以及良好的抗氧化性和電子性質[1]，被廣泛地應用在汽車、航空航天、電子機械、核磁等工業(yè)領域，市場應用前景廣闊。目前，SiC陶瓷的制備機理主要有4種：硅烷化合物的化學氣相沉積(CVD)[2,3]、有機硅聚合物的先驅體轉化(PIP)[4,5]、單質Si的直接炭化[6,7]和SiO2的碳熱還原[8,9]，其中CVD能制備出較高純度的SiC陶瓷，但考慮到其昂貴的原材料和復雜的反應裝置以及CVD前驅體的有害性，不適合大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)；PIP先驅體的分子結構具有可設計性、成型工藝簡單、反應溫度低且具有一定的陶瓷產(chǎn)率，但其先驅體在熱裂解進程中會釋放大量氣體，易造成陶瓷基體較大的體積收縮、變形、開裂和塌陷；而單質Si的直接炭化和SiO2的碳熱還原則由于其低廉的原料、簡單的工藝和設備以及較高的生產(chǎn)效率，被認為可以較為理想地制備出SiC材料。但它們也有不可避免的缺點：反應溫度較高(最高溫度可達2700℃)。這主要是由于反應物之間接觸面積小，熱量傳遞效率低，因此需要較高的溫度來彌補[10]。為了有效解決這一問題，學者們期望用一種新的具有天然豐富孔隙結構的原料來加大反應物間的接觸面積，以降低反應溫度。

生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素等組成[11]，是一種可再生的天然碳素原料。生物質在長期的生長進化過程中形成了獨特的孔隙結構：多級分布的管狀或胞狀結構，發(fā)達的孔隙和排列有序的孔道，孔徑分布從納米級到毫米級，各級孔隙結構彼此互通形成一個開孔系統(tǒng)[12]，這就為以生物質為基體制備SiC陶瓷提供了硅源的進入通道、儲存空間和反應場所。生物質在生長過程中會將吸收的C，Si元素用于構建細胞壁 ，進而形成C與Si的緊密接觸[10]，再加上多級孔隙結構所造成的高比表面積，加大了細胞壁與外界硅源的接觸空間，使得在較低的溫度下(1200～1900℃)以生物質為基體制備SiC陶瓷成為可能。

生物質基SiC陶瓷材料，是一種兼具有獨特生物結構和陶瓷性能的新型陶瓷材料，在生物質和陶瓷領域都備受關注。本文將在闡明SiC分子結構的基礎上，對生物質基(農(nóng)作物、木材、竹材等)SiC陶瓷的制備方法、熱解機理和熱解影響因素等做一個全面的總結，以期為SiC陶瓷的制備研究和拓展生物質的應用范圍提供理論指導和科學支撐。

1 SiC分子結構

1824年，Berzelius在嘗試合成金剛石時意外發(fā)現(xiàn)了SiC，這是SiC首次以人工合成的形式出現(xiàn)在自然界中[10]。隨后Cowles等[13]發(fā)現(xiàn)SiC具有較強的硬度和穩(wěn)定性，適合作為研磨和切割工具，并在1891年由Acheson[14]以碳熱還原的原理首次工業(yè)化合成這種化合物。直至1974年，Prochzka首次利用無壓燒結工藝合成了SiC陶瓷，從此SiC陶瓷以其優(yōu)異的性能成為最有前途的3大結構性陶瓷材料之一[1]，被廣泛應用在各個領域。而SiC陶瓷之所以具有如此多的優(yōu)勢，與其自身SiC分子的結構和性質密不可分。

SiC是由C原子和Si原子以Ⅳ-Ⅳ共價鍵鍵合而成的一種四面體堆積晶體。單個四面體中，1個 C原子會與其相鄰的3個Si原子鍵合，如圖1所示。C，Si原子雙分子層間周期堆疊規(guī)律的不同會形成不同的同質多型體晶型，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的晶型就多達200多種[15]。以A，B，C代表3種不同位置的SiC晶格，發(fā)現(xiàn)了兩類典型的晶型(圖2)：β-SiC晶型和α-SiC晶型，最常見的堆疊規(guī)律為ABC(3C)，ABCB(4H)，ABCACB(6H)和ABCACBCABACABCB(15R)。各種SiC晶型因結構的差異表現(xiàn)出各自特異的性質：β-SiC在較低溫度下就可以成核和生長，而α-SiC的生長則需要較高的溫度；當SiC晶粒的尺寸被縮減到納米級時，SiC自身會表現(xiàn)出極高的硬度、抗氧化性和熱阻能力，甚至表現(xiàn)出一些新的性質。

圖1 SiC的四面體晶體單元Fig.1 The unit for tetrahedral bonding of SiC

圖2 3C, 4H, 6H和15R-SiC的晶型結構Fig.2 Stacking sequence of double layers of 3C, 4H, 6H and 15R-SiC

SiC性質穩(wěn)定、熱擴散效率低，再加上材料本身的高強度和剛度，造成加工困難且費用較高。后來發(fā)展出以高溫燒結的方式將SiC粉體致密化燒結成型，可以生產(chǎn)出理想形狀的SiC陶瓷。按照燒結方式的不同，目前可將SiC陶瓷分為反應燒結SiC陶瓷、無壓燒結SiC陶瓷、常壓燒結SiC陶瓷和熱壓燒結SiC陶瓷等。其中反應燒結工藝以獨特的C-Si反應合成方式、較低的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品的高性能，成為生物質基SiC陶瓷的主要燒結工藝[16]。

2 生物質基SiC陶瓷的制備

與傳統(tǒng)SiC陶瓷制備相比，以生物質為基體制備SiC陶瓷具有明顯的優(yōu)勢。首先，生物質來源廣泛，價格低廉，并且是一種綠色可再生資源；其次，生物質細胞壁中C和Si元素含量較高，節(jié)省了外界碳源和硅源的投入；第三，生物質豐富的孔隙結構為外界硅源或碳源的進入提供了通道，加大了碳源與硅源的接觸面積，可使生物質基SiC陶瓷在較低的溫度下制備；同時，生物質在熱處理過程中，有機物的燃燒分解能夠釋放大量熱能，這些能量既可以彌補能量的消耗，繼續(xù)維持燃燒，又可以促進熱解進程和SiC產(chǎn)物的形成[17]?；谝陨蟽?yōu)點，早在1975年Lee等[18]就以稻殼為原料制備出SiC，開創(chuàng)了農(nóng)作物基生物質制備SiC陶瓷的先河，隨后一系列與稻殼相關的研究相繼展開[19-21]。20世紀90年代初，岡部敏弘等提出了木陶瓷的概念，即由木材或者經(jīng)樹脂浸漬處理過的木質材料高溫炭化后形成的一種碳質材料[22]。木陶瓷具有質輕、導電、自滑、多孔等諸多優(yōu)點，但其抗氧化性差、強度低。有學者結合木陶瓷的有機-無機轉化、生物模板技術和SiC陶瓷反應燒結技術制備出了木基SiC陶瓷，這種陶瓷以SiC取代木陶瓷的碳質細胞壁，增強了木陶瓷的力學性能和氧化穩(wěn)定性。竹材是一種僅次于木材的森林資源，生長周期短、孔隙豐富、力學性能優(yōu)異。近年來，已經(jīng)有學者借鑒木基SiC陶瓷的制備方法，以竹材為基體制備SiC陶瓷[1,10]。

目前，以木材、竹材等生物質為基體制備SiC陶瓷的研究中，所涉及的制備方法按照硅源的不同可分為液相硅滲透法、溶膠-凝膠法、Si蒸氣法和SiO蒸氣法等。

2.1 液相硅滲透法

液相硅滲透法(Liquid Silicon Infiltration，LSI)是指單質固體硅在熔點以上的高溫環(huán)境下熔融成液態(tài)硅，隨后在毛細管力的作用下將液態(tài)硅滲透到炭模板中與碳反應生成SiC基體[23]。

生物質所具有的多級孔隙結構，能為液態(tài)熔融硅的滲透提供有效途徑。生物質的孔隙結構在經(jīng)炭化處理后，有機物被燃燒降解，細胞腔之間互相聯(lián)通，孔隙率提高，碳的純度增加。以生物質炭化形成的炭為模板，將液態(tài)熔融硅滲透到其孔隙中，通過高溫下的C-Si反應，可原位生成SiC陶瓷。王慶等[24]先將高粱炭化得到炭模板，然后將熔融的硅經(jīng)炭的孔隙結構自發(fā)滲入到炭模板中，通過原位反應生成多孔SiC陶瓷，這種陶瓷基本復制了炭模板的微觀結構。Qiao等[25]分別以松木、樺木和竹材為原材料，經(jīng)炭化形成木、竹陶瓷后通過高溫熔融硅的滲透反應制備出SiC陶瓷，微觀觀察和XRD分析發(fā)現(xiàn)天然木材的微觀結構很好地保留在SiC陶瓷中，但這種陶瓷卻是一種包含了β-SiC和游離硅的復合陶瓷。Zollfrank等[26]將櫸木和松木于800℃下轉化成木炭，隨后在1550℃下通過液相硅的自發(fā)滲透與木炭反應制備出生物多孔性Si/SiC陶瓷，這種陶瓷包含微米和納米級β-SiC、未反應的炭和硅3種物相，微觀形貌與傳統(tǒng)的LSI法制備的SiC陶瓷材料相似。Greil等[27]利用松木等多種木材作為模板通過高溫滲透熔融硅制備出具有生物結構和獨特性能的多孔Si/SiC復合陶瓷材料，力學性能得到了顯著提高，但各向異性卻隨孔隙率的增大而增大。Mallick等[28]利用芒果樹為原料，通過向炭化后的木炭模板中滲透液體硅于1600℃的真空條件下制備出Si/SiC復合陶瓷材料，這種材料具有較小的孔隙率和較高的密度、強度和硬度等，并且保留了木材原有的基本微觀結構。

2.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法(Sol-gel Method)以其優(yōu)異的性能已經(jīng)用于制備各種高性能陶瓷材料，在SiC陶瓷的制備生產(chǎn)中具有特殊的地位[29]。溶膠-凝膠法是一種醇鹽的水解與聚合同時反應的物理化學過程：以金屬醇鹽或其化合物為原料，在酸性或堿性催化劑的作用下，進行水解、縮聚反應，最終由溶膠變?yōu)槟z。溶膠-凝膠法的原料具有分子水平均勻性，并且成本較低，設備簡單，是溫和條件下合成無機材料的重要方法。

生物質基SiC陶瓷的溶膠-凝膠法是以二氧化硅溶膠浸漬生物質前體(生物質或其衍生品)，使生物質前體孔隙中填充溶膠，然后通過溶膠的水解縮聚反應形成凝膠/生物質復合系統(tǒng)，最后對凝膠/生物質復合系統(tǒng)進行干燥、高溫制備SiC陶瓷。Qian等[30,31]以1200℃下的熱解椴木炭為模板，通過真空加壓向炭孔隙中浸漬二氧化硅溶膠，干燥凝膠成C/SiO2復合材料，隨后在1600℃的溫度下通過碳熱還原反應生成具有精確仿木結構的SiC陶瓷，研究表明產(chǎn)物包含大量的β-SiC和微量的α-SiC。劉冬等[32,33]以二氧化硅溶膠為硅源，通過真空加壓浸漬到竹炭和木炭中，經(jīng)1450℃處理制備出SiC陶瓷，并在導管內(nèi)發(fā)現(xiàn)了直徑100～500nm、長度30μm以上的SiC納微米棒。而田根林等[34]以相同的工藝制備的SiC陶瓷主要分布在材料的表層，并包含有一定量的自由炭，但其力學性能顯著優(yōu)于生物炭。Herzog等[35]通過溶膠-凝膠法浸漬不同尺寸的木材和木炭后，于1400℃下制備多孔SiC陶瓷，結果表明：制備的不同尺寸SiC陶瓷能夠很完整地保留原料的微觀結構，將熱解模板從非晶狀態(tài)轉化為SiC結晶態(tài)，將細胞壁上的微孔和死孔轉化為介孔或開孔。Locs等[36]在真空條件下將二氧化硅溶膠加壓浸漬到規(guī)格松木塊中，隨后經(jīng)熱解炭化、高溫制備出生物形態(tài)的多孔SiC陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)物的尺寸有所改變，但并沒有形成裂紋；真空加壓浸漬能在短時間內(nèi)將足量的SiO2引入到木材中，但壓力值對最終引入量沒有顯著影響。溶膠-凝膠制備工藝中，溶膠的制備和凝膠的結果對SiC陶瓷的制備和性能具有重要影響。陳志林等[37,38]用甲基三乙氧基硅烷(MTES)和正硅酸乙酯共同水解制備的改性二氧化硅溶膠浸漬木材或竹材，干燥凝膠后高溫燒制SiC陶瓷材料，結果表明：經(jīng)MTES改性的溶膠制備出的SiC陶瓷材料，其脆性大、耐水性差的問題有所改善，力學性能有所提高。

雖然溶膠-凝膠法制備SiC陶瓷的工藝相對復雜，但由于其較低的反應溫度、較高的產(chǎn)品質量和純度，并且對原料的尺寸沒有限制，成為當今制備生物質基SiC陶瓷的一種重要方法。

2.3 其他方法

除了以上兩種生物質基SiC陶瓷的制備方法外，還有Si蒸氣法和SiO蒸氣法等。Fey等[39]在1600℃的氬氣環(huán)境下通過Si蒸氣滲透松木炭模板制備出SiC陶瓷，并對其徑向拉伸載荷下的應力分布進行有限元建模分析，結果表明其最大的應力出現(xiàn)在方形孔隙區(qū)域。李翠艷等[40]以竹炭為陶瓷前體，通過SiO2與Si反應生成的SiO蒸氣浸漬炭前體制備出SiC多孔陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)物的產(chǎn)率隨著溫度的升高有所增加，但卻降低了其抗彎強度。Ha等[41]將楊木炭嵌入到SiO2與硅的混合粉末中，于1600℃通過C和SiO蒸氣反應制備SiC多孔陶瓷，相對于液相和氣相硅浸漬，這種SiO蒸氣能夠更有效地制備SiC陶瓷并且較完整地保留木材的細胞結構。

上述各種方法雖然能夠在較低的溫度下以生物質為基體制備出SiC陶瓷，但仍存在著各自的局限性。表1為不同生物質基SiC陶瓷制備方法的比較。從表1可以看出，液相硅滲透法和Si蒸氣法都需要較高的溫度，因此設備要求和生產(chǎn)能耗較高，阻礙大規(guī)模生產(chǎn)；而溶膠-凝膠法和SiO蒸氣法雖然能在較低的溫度下進行，但對反應進程的控制相對困難，特別是二氧化硅溶膠的配置和凝膠效果以及SiO蒸氣的制備和滲透對最終產(chǎn)物具有很大的影響。

表1 不同生物質基SiC陶瓷制備方法的比較Table 1 Comparison of different preparation methods of biomass-based SiC ceramic

3 熱解機理

目前，以生物質為基體制備SiC陶瓷的反應機理主要包括單質Si的直接炭化和SiO2的碳熱還原(圖3)。相對于單質Si的直接炭化，SiO2的碳熱還原能夠使生物質基SiC陶瓷在較低的溫度下合成，降低了生產(chǎn)成本，但缺點是制備進程和產(chǎn)物性能難以控制。上述提到的溶膠-凝膠法、SiO蒸氣法均是以SiO2的碳熱還原為反應機制，而液相硅滲透法和Si蒸氣法則是以Si的直接炭化為反應機制。下面將對生物質基SiC陶瓷制備進程中的熱解機理進行深入探究，并分析反應條件對制備進程和結果的影響。

圖3 生物質基SiC陶瓷的熱解機制(a)二氧化硅的碳熱還原；(b)硅的直接炭化Fig.3 Pyrolysis mechanism of biomass-based silicon carbide ceramics(a)carbothermal reduction of SiO2;(b)direct carbonization of Si

3.1 熱解動力學進程

目前比較成熟的制備生物質基SiC陶瓷熱解進程可分為3類：一步法、兩步法或多步法。一步法就是將生物質、單質硅或硅溶膠等硅源按照一定的比例混合均勻，隨后通保護氣高溫熱解制備SiC。兩步法通常是將生物質在較低的溫度下(350～900℃)炭化成生物炭，隨后添加硅源、在保護氣存在的條件下將生物炭和硅源于較高溫度(1200～1800℃)下燒制成SiC。Lee等[18]首次以稻殼為原料通過兩步法合成了SiC，并由此引發(fā)了大量的相關研究。多步法則是將加熱進程分為幾個溫度梯度逐級完成。隨著研究的深入，學者們發(fā)現(xiàn)：相對于兩步法或多步法，一步法在生物質基SiC陶瓷的制備上具有更低的成本和更高的產(chǎn)率[42,43]。

以生物質為原料，通過高溫熱解制備SiC陶瓷的動力學進程可以分為3個階段：生物質的有機降解、硅源的轉化和高聚物的凝聚、SiC的形成[44]，涉及固相反應、氣相-固相反應、液相-固相反應和氣相-液相-固相反應，具體的反應方程式包括：

SiO2(s) + 3C(s)→SiC(s)+2CO(g)

(1)

SiO2(s)+C(s)→SiO(g)+CO(g)

(2)

SiO2(s)+CO(g)→SiO(g)+CO2(g)

(3)

SiO(s)+2C(s)→SiC(s) +CO(g)

(4)

SiO(g)+3CO(s)→SiC(s)+2CO2(g)

(5)

CO2(g)+C(s)→2CO(g)

(6)

SiO2(s)+Si(s)→2SiO(g)

(7)

Si(g,l)+C(s)→SiC(s)

(8)

其中，反應式(1)～(7)發(fā)生在SiO2的碳熱還原反應機制中，而反應式(8)則發(fā)生在單質Si的直接炭化過程中。由于生物質多級孔隙結構的存在，為硅源與碳源提供一個緊密接觸的場所，促使硅源既可以與碳源直接反應生成SiC(反應式(1)和(8))，也可以先被碳源還原成SiO(反應式(2),(3)和(7))，再通過二次還原生成SiC(反應式(4)和(5))。在生物質的熱解進程中上述反應同時進行并且相互影響，彼此促進或制約。

研究表明：從生物質的熱解進程中制備的SiC是一種以β-SiC為主體包含多種形態(tài)和種類SiC的混合物，可以通過調(diào)整反應條件來控制合成SiC的形態(tài)和種類。影響熱解進程的主要參數(shù)包括：原料、反應溫度、反應時間和加熱速率等。

3.2 熱解影響因素

3.2.1 生物質原料的影響

生物質原料的種類、顆粒大小、松緊程度、碳硅比和預處理等都會對最終的熱解產(chǎn)物——SiC產(chǎn)生一定的影響。Lohr等[45]在木基SiC陶瓷的制備工藝研究中，通過液相硅滲透不同的原材料(木纖維、麻纖維、亞麻纖維和石墨)高溫制備SiC，研究發(fā)現(xiàn)：過量的原料影響最終產(chǎn)品的成型，但對炭模板和SiC的力學性能沒有影響；顆粒較小的原料制備的SiC更易被注射成型；不同原料，形成的炭模板其裂紋數(shù)量和大小以及孔隙坍塌程度有所差別，從而影響到液相硅的浸漬和SiC的形成。Yan等[46]以櫸木粉末為原料，熱壓成型后炭化，隨后將炭模板于1550℃下與液相硅反應生成Si/SiC復合陶瓷，與從木塊中制備的陶瓷復合材料相比，這種粉末基復合陶瓷的密度、微觀結構的均勻性和力學性質都有所增強。

熱解反應前對生物質原料進行選擇性的預處理，既能促進熱解進程的進行，也能改善SiC產(chǎn)物的形態(tài)和純度。在生物質基SiC陶瓷的制備中，通常用酸、堿、酶或添加劑對生物質進行預處理，隨后進行SiC的熱解制備。Maity等[47]通過硫酸鹽法制漿工藝從竹材中提取竹纖維，并用氫氧化鈉和醋酸纖維素溶液對椰樹纖維進行處理，隨后對兩種纖維分別熱壓成板、高溫炭化、熔融硅浸漬和陶瓷化制備SiC，研究發(fā)現(xiàn)：相對于竹纖維炭模板，椰纖維炭模板熱解失重率低、密度高、孔隙度低和孔徑小；從椰纖維中衍生的SiC陶瓷在室溫下具有優(yōu)良的抗氧化性、抗彎強度和彈性模量。Guo等[48]以1∶1的摩爾比將竹炭粉和二氧化硅溶膠充分混合，分別加入HBO3，NH4Cl和納米SiC3種添加劑，高溫下制備SiC，結果表明：3種添加劑對SiC產(chǎn)物的結構沒有影響，但HBO3能夠促進棒狀SiC的縱向和徑向生長，NH4Cl卻在一定程度上限制了棒狀SiC形成和生長，至于納米SiC，雖然對棒狀SiC的形成有一定促進作用，增加縱向長度，但卻縮減其徑向尺寸。

3.2.2 反應溫度的影響

在以生物質為基體制備SiC的熱解進程中，溫度的控制是一項重要的因素，溫度不同，熱解的成分、產(chǎn)物的種類和形狀也不相同。Krishnarao等[49]在用稻殼直接熱解制備SiC陶瓷的進程中發(fā)現(xiàn)有4個熱解反應同時發(fā)生：SiO2的結晶、SiC晶須的形成、SiC晶粒的形成和C的石墨化。在1100～1200℃，SiO2的結晶占據(jù)主導；隨著溫度升高到1250℃，SiC的形成開始變得迅速；當溫度超過1410℃時，SiC的形成減少而碳的石墨化程度增加。Castro等[50]將經(jīng)正硅酸乙酯(TEOS)浸漬過的木炭在1400，1600℃和1800℃下分別高溫處理，通過X射線衍射分析確認有C-Si反應發(fā)生，并且1600℃是其最適的反應溫度，即1600℃最適合SiC的形成。Chen等[51]將竹炭粉、硅和酚醛樹脂按1∶3∶4的比例混合并熱壓成型，分別在1500，1600，1800℃的溫度下通過硅的高溫熔融滲透制備SiC陶瓷，分析表明：在SiC陶瓷中存在有竹炭狀微觀結構和高比例的硅，并隨著溫度的升高，SiC的純度增加。

3.2.3 反應時間的影響

反應時間對SiC產(chǎn)物的制備、形態(tài)和純度等有著顯著的影響。理論上，隨著時間的延長，SiC的產(chǎn)量能夠達到SiC形成的理論極限值。但是在實際制備中，由于硅源或者碳源的不足或者說反應達到平衡，造成SiC的產(chǎn)量隨著時間的延長只能趨于某一平衡值。Sun等[52]先將酚醛樹脂膠合板熱解成炭模板，隨后于1420℃浸漬熔融硅、保溫反應30min，冷卻后將樣品于1700℃下再處理20～100min，研究發(fā)現(xiàn)最終的復合材料主要由β-SiC組成，還有一些游離硅和未反應的石墨碳；隨著再處理時間的延長，產(chǎn)品的孔隙度明顯增加，斷裂韌性有所增強，但是抗彎強度下降。

4 結束語

以綠色環(huán)保的可再生生物質為原料制備SiC陶瓷，既可以生產(chǎn)出新型多功能SiC陶瓷，又可以擴大生物質應用領域，開發(fā)高附加值的生物質產(chǎn)品。雖然生物質基SiC陶瓷的相關研究越來越深入，但仍存在著許多問題和挑戰(zhàn)。綜上所述，未來生物質基SiC陶瓷的研究可以從以下方面重點展開：(1)對生物質或生物質炭模板進行物理改性(碾壓、粉碎、研磨、通氣擴孔等)或化學改性(擴孔劑、潤濕劑、活化劑等)處理，擴大比表面積和表面自由能，從而增大與硅源的接觸面積或被硅源潤濕的能力，降低反應溫度，提高產(chǎn)物產(chǎn)率；(2)加大反應系統(tǒng)真空度，降低硅源的氣化溫度，或增大壓強，促進氣相或液相硅源對生物質的浸滲；對二氧化硅溶膠進行有機改性、超聲波輻射、蒸煮等處理，擴大其對生物質的潤濕性，提高產(chǎn)物產(chǎn)量和純度；(3)生物質自身易被浸潤，可考慮生物質的直接熱解合成SiC陶瓷(一步法)，簡化生產(chǎn)工藝；深入反應條件(溫度、時間、升溫速率、通氣速率、壓強等)和添加劑(納米材料、金屬或非金屬、有機或無機物質等)對產(chǎn)物影響的研究，完善生產(chǎn)工藝；(4)加大以較高孔隙度的生物質(棕櫚藤、農(nóng)作物等)為原料制備SiC陶瓷的研究，擴大生物質的應用范疇；(5)開展有關電磁屏蔽、吸附、光學、聲學、電學和化學催化等性能的研究，加大產(chǎn)品開發(fā)，拓展應用領域。

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(本文責編：楊 雪)

Research Progress on Preparation for Biomass-based SiC Ceramic

CUI He-shuai1，ZHENG Yu2，LIU Xing-e1，YANG Shu-min1， TIAN Gen-lin1，MA Jian-feng1

(1 International Centre for Bamboo and Rattan,Beijing 100102,China; 2 Beijing Sinoma Synthetic Crystals Co.,Ltd.,Beijing 100018,China)

Silicon carbide (SiC) ceramics prepared by the conventional process has excellent properties and wide application prospects, but the increased cost of high-temperature preparation process restricts its further development. In contrast, the abundant porous structure of biomass makes itself to be ideal replacement of SiC ceramic prepared at low temperature. This paper reviewed the structure characteristics, preparation methods, pyrolysis mechanism and influence parameters of biomass-based SiC ceramic, and eventually explored the current problems and development trends of the pretreatment of carbon source and silicon source, the pyrolysis process and the application research on the preparation for biomass-based SiC ceramic.

biomass;silicon carbide ceramic;preparation method;pyrolysis mechanism

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000029

TB321;O78

A

1001-4381(2017)08-0115-08

國際竹藤中心基本科研業(yè)務費(16322015002)；十二五國家科技支撐計劃項目(2012BAD54G0103)

2016-01-08;

2017-05-05

馬建鋒(1984-)，男，助理研究員，博士，主要從事生物質碳材料的研究，聯(lián)系地址：北京市朝陽區(qū)望京阜通東大街8號國際竹藤中心綜合樓(100102)，E-mail:majf@icbr.ac.cn