作者：Alfonso Salinas, Maricela Lizcano, and Karen Lozano
引言
       微波照射技術(shù)常用于加工半導(dǎo)體、無(wú)機(jī)物和聚合物材料，還用于粉末金屬和陶瓷燒結(jié)等。微波是一種波長(zhǎng)在1 mm至1 m之間頻率在1 GHz至300 GHz之間的電磁輻射。用于工業(yè)生產(chǎn)和科研的微波爐頻率一般在2.45 GHz。產(chǎn)生微波能的最有效技術(shù)是磁控管；但也可用調(diào)速管、柵條管、行波管和振動(dòng)陀螺儀等技術(shù)來(lái)產(chǎn)生。
       微波加工陶瓷工藝早在1968年由Tinga和Voss提出；但直到20世紀(jì)80年代利用微波高溫加工工藝才逐漸成熟。與傳統(tǒng)陶瓷加工方法相比，微波照射工藝縮短了加熱時(shí)間，降低了能耗。
       傳統(tǒng)的材料熱加工是將能源通過(guò)對(duì)流熱和輻射熱傳遞到材料表面，然后再通過(guò)傳導(dǎo)加熱對(duì)材料進(jìn)行熱加工。但這種方法加熱時(shí)間長(zhǎng)，存在一個(gè)熱梯度，材料表面承受的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部承受的溫度從而導(dǎo)致表面損壞。而微波加工技術(shù)則通過(guò)電磁場(chǎng)分子間相互作用直接把熱量傳送至材料，加熱均勻、時(shí)間短。加熱速率可高達(dá)1000 ℃/min。微波加工技術(shù)降低了材料內(nèi)部的熱梯度和加工溫度、反應(yīng)時(shí)間更快、微結(jié)構(gòu)的密度更大、機(jī)械性能也更好。
       熔態(tài)旋凝法（FS）是一種快速制備微米、納米級(jí)纖維材料的工藝。與靜電紡絲工藝相比，F(xiàn)S法在實(shí)驗(yàn)室制備纖維的效率高達(dá)1g/min。FS法和微波照射法相結(jié)合可以快速生產(chǎn)陶瓷材料；FS法通過(guò)離心力來(lái)克服剪力從而促進(jìn)纖維的延長(zhǎng)。
       本試驗(yàn)對(duì)β-SiC的制備和優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行了研究和表征；實(shí)驗(yàn)中的綠色細(xì)纖維由聚合物前驅(qū)體法制備而成，利用了聚苯乙烯和聚碳亞甲基溶液。制備出的無(wú)紡細(xì)纖維由FESEM、XRD、EDS和FTIR進(jìn)行表征。
實(shí)驗(yàn)
材料
       聚苯乙烯（PS）280,000 g/mol，聚碳亞甲基（PCmS）800 g/mol，甲苯。
       在氮?dú)獠僮飨鋬?nèi)配備PS/PCmS/甲苯溶液，以防止氧化。將溶液倒入20mL的閃爍管并用帕拉膠膜加以密封以防止揮發(fā)。然后磁力攪拌4小時(shí)。
細(xì)纖維制備
       將FS制備系統(tǒng)放入充氮操作箱，用10mL注射器在圓柱形噴絲頭中注入約2mL的溶液。纖維噴絲的角速度在5000至9000rpm之間，溶液在30秒內(nèi)用完。纖維絲沉積在圓形收集器內(nèi)16個(gè)均勻放置的聚四氟乙烯棒上。整個(gè)過(guò)程都在操作箱內(nèi)進(jìn)行以防止氧化。
       加熱過(guò)程中，預(yù)陶瓷聚合物（PCmS）轉(zhuǎn)化為陶瓷SiC之前，聚苯乙烯已經(jīng)達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此進(jìn)行纖維交聯(lián)以保持前驅(qū)體細(xì)纖維的幾何完整性。收集到的細(xì)纖維放置在254nm波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)下24小時(shí)。交聯(lián)反應(yīng)也在充氮操作箱內(nèi)進(jìn)行。
微波裂解
       實(shí)驗(yàn)使用器材為HY-Tech單模微波輻射器和MH 2.0 W-S水冷磁控管裝置，提供2KW的可調(diào)微博能量，頻率2.45GHz。磁控管輸出后進(jìn)入WR340波導(dǎo)管。用Omega iSeries iR2 紅外線(xiàn)高溫計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量。試樣放置在碳化硅基座板之間，這些基座板吸收電磁能并將其轉(zhuǎn)化為熱量。試樣室配備了帶有渦輪泵的石英管；渦輪泵抽走空氣并充氮后開(kāi)始進(jìn)行微波加熱，每隔4分鐘功率增加100W，直至600W。在600W時(shí)的加工時(shí)間為3分鐘，觀(guān)察到的溫度大致接近1140℃。
纖維表征
       實(shí)驗(yàn)采用SEM進(jìn)行纖維形態(tài)觀(guān)察，使用的是Carl Zeiss AxioVision軟件來(lái)測(cè)量纖維直徑。Bruker AXS D8衍射儀進(jìn)行XRD分析；Cary 600 Series FTIR能譜儀進(jìn)行FTIR-ATR分析。
結(jié)果和討論
       不少學(xué)者對(duì)SiC細(xì)纖維前驅(qū)體的優(yōu)化已經(jīng)做了研究。本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)傳統(tǒng)的熱解方法來(lái)研究高結(jié)晶性β-SiC細(xì)纖維的制備。實(shí)驗(yàn)求得了引起纖維平均直徑在270nm至2μm間變化的參數(shù)值。圖一為無(wú)紡細(xì)纖維層和直徑分布。圖二為微米級(jí)和亞微米級(jí)尺寸的前驅(qū)體纖維SEM圖。圖中紅色框內(nèi)顯示了纖維的粘和力。
       本實(shí)驗(yàn)中的材料由PS和PCmS構(gòu)成，分子式分別為(C8H8)n和(C2H6Si)n。在550-800℃時(shí)前驅(qū)體由于分解而轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物。溫度從800℃增至1000℃的過(guò)程中非晶SiC形成，在1000℃時(shí)形成結(jié)晶SiC。

       圖三為XRD結(jié)果，表一為對(duì)應(yīng)峰值。峰值顯示了前驅(qū)體到β-SiC的轉(zhuǎn)化。峰值出現(xiàn)輕微的擴(kuò)大基期是由于一些未反應(yīng)物質(zhì)或非晶SiC殘留在了試樣中。2θ為26.74°時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)碳峰值（參考代碼04-014-0337）。

       在波數(shù)740-970cm-1之間有SiC FTIR反射帶。圖四中的FTIR掃描顯示了在波數(shù)788 cm-1處的反射帶，驗(yàn)證了圖三中前驅(qū)體細(xì)纖維的陶瓷轉(zhuǎn)化。波數(shù)1003 cm-1處的峰值為Si-O鍵，意味著試樣中有SiO2。XRD分析中沒(méi)有檢測(cè)到SiO2可能是因?yàn)槠浼{米尺寸的緣故。如果將未加工的前驅(qū)體暴露在氧氣中，Si-H和Si-H3會(huì)發(fā)生氧化從而形成Si-O-Si。前驅(qū)體中的氧族就在1200℃以下的溫度形成非晶SiO2。實(shí)驗(yàn)對(duì)纖維前驅(qū)體和陶瓷纖維進(jìn)行EDS觀(guān)察，兩種試樣中觀(guān)察到的氧如表2所示。2156 cm-1處的折射帶與MeSiH3一致，在2048 cm-1處和1963 cm-1處的折射帶證明了CO族的存在。

       這些復(fù)合材料用于納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、增強(qiáng)合成材料和納米傳感器等技術(shù)領(lǐng)域，還用于改善SiC / SiO2的連接界面從而提高電子設(shè)備性能。SiC / SiOx材料在以前的研究中已經(jīng)由微波照射法成功制備過(guò)。但本研究中的Si，SiO2和石墨粉末主要用作前驅(qū)體材料而不是預(yù)陶瓷聚合物。圖五為陶瓷細(xì)纖維SEM圖，從中可以觀(guān)察到微米、亞微米級(jí)的細(xì)纖維。在微波加工過(guò)程中由于溶劑揮發(fā)而導(dǎo)致纖維收縮，或者一兩根纖維發(fā)生粘著，局部區(qū)域可以觀(guān)察到一些粗糙的纖維。雖然大部分纖維長(zhǎng)度都有6英尺左右，但顯微圖也觀(guān)察到了一部分較短的纖維。前驅(qū)體纖維在放置到基座上進(jìn)行MW加工之前被鑷子夾取從而導(dǎo)致纖維斷裂。實(shí)驗(yàn)采用MW后處理連續(xù)沉積法來(lái)保持纖維的長(zhǎng)度。圖六為一根SiC納米纖維的SEM圖。

 

結(jié)論
       本研究利用微波能量加工和熔態(tài)旋凝法成功實(shí)現(xiàn)了由噴絲PS/PCmS細(xì)纖維到β-碳化硅細(xì)纖維的陶瓷轉(zhuǎn)化。這兩種方法結(jié)合可以快速制備出陶瓷納米材料。XRD和FTIR分析結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了細(xì)纖維的陶瓷轉(zhuǎn)化。SEM圖也觀(guān)察到了微米、亞微米纖維。（編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）