一種生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多孔材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種生物質(zhì)基多孔碳化硅材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，具有分布廣、總量大、可再生的特點。生物質(zhì)是由光合作用生成的有機(jī)物，化學(xué)組成是碳?xì)浠衔?，是一種取之不竭，用之不盡的清潔能源。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，能源和環(huán)境問題已成為當(dāng)今世界關(guān)注的焦點，對可再生的清潔能源生物質(zhì)進(jìn)行研宄與利用，已經(jīng)成為世界各國的研宄熱點。
[0003]目前已有利用細(xì)菌纖維素、棉絮、木材制備的納米級孔徑的多孔材料，而水處理、吸附等領(lǐng)域均需要微米級孔徑的多孔材料，這就需要進(jìn)一步對制備的納米級多孔材料進(jìn)行改性，步驟繁瑣且不環(huán)保。
[0004]碳化硅是一種半導(dǎo)體材料，密度小，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕、耐高溫性能，可作為增韌劑，提高材料力學(xué)性能。同時，碳化硅具有較好的吸波性能，主要靠介電損耗和電導(dǎo)損耗吸收電磁波，吸波頻帶寬，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的耐高溫吸波材料。
[0005]目前碳化硅的制備方法主要有碳熱還原法、溶劑熱法、減壓氣氛燒結(jié)法、氣相沉積法、聚合物熱解法、微波燒結(jié)法等，種類繁多但是對設(shè)備要求高，或需要較高的溫度，并且通常有S12包覆于SiC表面，除S1 2需要加入強酸，步驟繁瑣，污染環(huán)境。
[0006]目前制備碳化硅的主要方法有弧光放電法、減壓氣氛燒結(jié)法、氣相沉積法、聚合物熱解法、微波燒結(jié)法、溶劑熱法、碳熱還原法等。種類繁多但是對設(shè)備要求高，或需要較高的溫度，部分制備方法還需要金屬類催化劑(這類催化劑必須經(jīng)過后續(xù)處理，而且難以出去，易形成雜質(zhì)相)，有一些還需要減壓，以降低燒結(jié)溫度，這些都為SiC的制備增加了成本，污染環(huán)境，而且合成的不穩(wěn)定，可重性差，操作復(fù)雜。并且通常有S12包覆于SiC表面，除S12需要加入強酸，步驟繁瑣，污染環(huán)境。目前報道的碳化硅吸波材料，吸波性能可以達(dá)到-30dB，有效吸波頻率(RL〈-10dB，-10dB相當(dāng)于吸收90%的電磁波)為3.7GHz，有效吸波頻段較窄，最佳吸波性能有待于進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有碳化硅吸波材料的制備方法存在可重性差，操作復(fù)雜，且碳化硅吸波材料存在吸波性能差，有效吸波頻段較窄的問題，而一種生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的制備方法。
[0008]一種生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的制備方法，具體是按以下步驟制備的:
[0009]一、真空冷凍干燥:塊狀生物質(zhì)在溫度為-45?-40°C真空冷凍干燥24h?96h，得到真空干燥后的生物質(zhì)；二、碳化處理:將真空干燥后的生物質(zhì)至于管式爐中，然后以氣體流速為10mL/min?60mL/min向管式爐中通入氬氣，在氬氣氣氛保護(hù)條件下燒結(jié)，先以升溫速率為2 V /min從室溫升溫至500 °C，并在500°C保溫Ih?8h，然后以升溫速率為5°C /min從500°C升溫至1000?1600°C，并在溫度為1000?1600°C下燒結(jié)碳化處理Ih?8h，降至室溫后得到多孔碳材料；三、燒結(jié):將硅粉均勻鋪平，然后將多孔碳材料置于硅粉上，放入管式爐中，然后以氣體流速為10mL/min?60mL/min向管式爐中通入氬氣，在氬氣氣氛保護(hù)條件下燒結(jié)，先以升溫速率為5°C /min從室溫升溫至500°C，再以升溫速率為10°C /min從500°C升溫至800°C，然后以升溫速率為5°C /min從800°C升溫至1000°C，最后以升溫速率為3°C /min從1000°C升溫至1300°C?1800°C，并在溫度為1300°C?1800°C下燒結(jié)Ih?8h，得到生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料；
[0010]步驟一中所述的塊狀生物質(zhì)為塊狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜；
[0011]步驟三中所述的多孔碳材料與硅粉的質(zhì)量比為1: (I?12)。
[0012]本發(fā)明優(yōu)點:一、本發(fā)明結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、組分與功能的內(nèi)在關(guān)系，以構(gòu)造形態(tài)、組分、結(jié)構(gòu)吸波相結(jié)合的設(shè)計思路，研制多種吸波機(jī)制于一體的新型材料。以天然材料生物質(zhì)為模板，人為引入或組裝吸波所需的材質(zhì)和成分，可以設(shè)計和研制具有結(jié)構(gòu)和材質(zhì)耦合屏蔽/吸波效果的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料；二、選擇塊狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜作為多孔碳材料的原因，狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜具有精細(xì)的微米、納米分級多孔結(jié)構(gòu)，價格低廉，環(huán)?？稍偕蝗?、本發(fā)明步驟二碳化采用兩步燒結(jié)，在溫度為500°C是生物質(zhì)在惰性氣氛下加熱分解的過程；在溫度為1000?1600°C下燒結(jié)碳化處理對生成的無定型碳進(jìn)行優(yōu)化，溫度越高，得到的無定型碳結(jié)晶度越好，對接下來以多孔碳作為模板制備SiC多孔材料越有利；四、本發(fā)明制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料呈三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將介電損耗型SiC吸波材料制備成三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，內(nèi)部無數(shù)個閉合導(dǎo)電回路在電磁場中產(chǎn)生“感應(yīng)磁損耗”，具有SiC顆粒無可比擬的磁損耗，并且這種磁損耗不存在居里轉(zhuǎn)變，高溫下依然存在，一定程度上彌補了傳統(tǒng)高溫吸波材料依靠單一介電損耗進(jìn)行吸波的缺點，改善了吸波性能。此外，多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)目趨于“無窮多”，當(dāng)電磁波輻射到多孔材料內(nèi)部，會發(fā)生反射、散射和干涉等現(xiàn)象，每一個氣孔壁對于電磁波都具有吸收消耗作用，發(fā)揮近于“無窮多吸收板”的效應(yīng)，使材料具有寬頻、強吸收特性；同時，骨架材料與孔結(jié)構(gòu)耦合作用下的吸波性能增強并非是兩者作用的簡單疊加，而是一個非線性作用過程下的綜合效應(yīng)亟需骨架材料一孔結(jié)構(gòu)(孔徑、孔徑分布和孔隙率等)一電磁波傳輸和損耗特性緊密結(jié)合。本發(fā)明制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料表面無S12包覆層，吸波性能達(dá)到-35dB，有效吸波頻率(R L<-10dB,-1OdB相當(dāng)于吸收90%的電磁波)為4GHz。五、本發(fā)明選擇塊狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜作為多孔碳材料，經(jīng)燒結(jié)制備出微米級孔徑的多孔碳材料，制備方法簡單，原料成本低且環(huán)保無污染；使用該多孔碳材料作為模板和碳源，與硅粉混合，制備生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料，設(shè)備要求低，表面無3102包覆層。
【附圖說明】
[0013]圖1為實施例1制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的SEM圖；
[0014]圖2為實施例1制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的XRD圖；
[0015]圖3為實施例1制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的吸波性能圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式是一種生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料的制備方法，具體是按以下步驟制備的:
[0017]—、真空冷凍干燥:塊狀生物質(zhì)在溫度為-45?-40°C真空冷凍干燥24h?96h，得到真空干燥后的生物質(zhì)；二、碳化處理:將真空干燥后的生物質(zhì)至于管式爐中，然后以氣體流速為10mL/min?60mL/min向管式爐中通入氬氣，在氬氣氣氛保護(hù)條件下燒結(jié)，先以升溫速率為2 V /min從室溫升溫至500 °C，并在500°C保溫Ih?8h，然后以升溫速率為5°C /min從500°C升溫至1000?1600°C，并在溫度為1000?1600°C下燒結(jié)碳化處理Ih?8h，降至室溫后得到多孔碳材料；三、燒結(jié):將硅粉均勻鋪平，然后將多孔碳材料置于硅粉上，放入管式爐中，然后以氣體流速為10mL/min?60mL/min向管式爐中通入氬氣，在氬氣氣氛保護(hù)條件下燒結(jié)，先以升溫速率為5°C /min從室溫升溫至500°C，再以升溫速率為10°C /min從500°C升溫至800°C，然后以升溫速率為5°C /min從800°C升溫至1000°C，最后以升溫速率為3°C /min從1000°C升溫至1300°C?1800°C，并在溫度為1300°C?1800°C下燒結(jié)Ih?8h，得到生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料。
[0018]本實施方式步驟一中所述的塊狀生物質(zhì)為塊狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜。
[0019]本實施方式步驟三中所述的多孔碳材料與硅粉的質(zhì)量比為1: (I?12)。
[0020]隨著科學(xué)技術(shù)和電子工業(yè)的發(fā)展，日益增多的各種電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng)的功率成倍增加，電磁輻射日益增強，成為一種新的污染源，嚴(yán)重影響精密的電子設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作，這種現(xiàn)象被稱作電磁干擾(Electromagnetic Interference，簡稱EMI)。世界環(huán)保組織已經(jīng)把電磁污染劃分為繼水質(zhì)污染和空氣污染之后的第三大污染。電磁污染除了嚴(yán)重影響各種電子、電氣設(shè)備的正常工作外(如在某些國防、軍事等保密場合工作或者設(shè)置的無線電設(shè)施、雷達(dá)、通訊、電纜等電子、電氣設(shè)施和設(shè)備常常由于電磁波輻射的泄漏而導(dǎo)致國防或者軍事信息泄密)，還通過熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和種群效應(yīng)直接影響到人體健康。
[0021]本實施方式結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、組分與功能的內(nèi)在關(guān)系，以構(gòu)造形態(tài)、組分、結(jié)構(gòu)吸波相結(jié)合的設(shè)計思路，研制多種吸波機(jī)制于一體的新型材料。以天然材料生物質(zhì)為模板，人為引入或組裝吸波所需的材質(zhì)和成分，可以設(shè)計和研制具有結(jié)構(gòu)和材質(zhì)耦合屏蔽/吸波效果的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料。
[0022]本實施方式選擇塊狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜作為多孔碳材料的原因，狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜具有精細(xì)的微米、納米分級多孔結(jié)構(gòu)，價格低廉，環(huán)?？稍偕?。
[0023]本實施方式步驟二碳化采用兩步燒結(jié)，在溫度為500°C是生物質(zhì)在惰性氣氛下加熱分解的過程；在溫度為1000?1600°C下燒結(jié)碳化處理對生成的無定型碳進(jìn)行優(yōu)化，溫度越高，得到的無定型碳結(jié)晶度越好，對接下來以多孔碳作為模板制備SiC多孔材料越有利。
[0024]本實施方式制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料呈三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將介電損耗型SiC吸波材料制備成三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，內(nèi)部無數(shù)個閉合導(dǎo)電回路在電磁場中產(chǎn)生“感應(yīng)磁損耗”，具有SiC顆粒無可比擬的磁損耗，并且這種磁損耗不存在居里轉(zhuǎn)變，高溫下依然存在，一定程度上彌補了傳統(tǒng)高溫吸波材料依靠單一介電損耗進(jìn)行吸波的缺點，改善了吸波性能。此外，多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)目趨于“無窮多”，當(dāng)電磁波輻射到多孔材料內(nèi)部，會發(fā)生反射、散射和干涉等現(xiàn)象，每一個氣孔壁對于電磁波都具有吸收消耗作用，發(fā)揮近于“無窮多吸收板”的效應(yīng)，使材料具有寬頻、強吸收特性；本實施方式制備的生物質(zhì)基多孔碳化硅吸波材料表面無3102包覆層，吸波性能達(dá)到_35dB，有效吸波頻率(RL<-10dB, -1OdB相當(dāng)于吸收90%的電磁波)為4GHz。
[0025]本實施方式選擇塊狀蘋果果肉、塊狀梨果肉或塊狀去皮香瓜作為多孔碳材料，經(jīng)燒結(jié)制