作者：Alfonso Salinas, Maricela Lizcano, and Karen Lozano
引言
       微波照射技術常用于加工半導體、無機物和聚合物材料，還用于粉末金屬和陶瓷燒結等。微波是一種波長在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)生產和科研的微波爐頻率一般在2.45 GHz。產生微波能的最有效技術是磁控管；但也可用調速管、柵條管、行波管和振動陀螺儀等技術來產生。
       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間，降低了能耗。
       傳統(tǒng)的材料熱加工是將能源通過對流熱和輻射熱傳遞到材料表面，然后再通過傳導加熱對材料進行熱加工。但這種方法加熱時間長，存在一個熱梯度，材料表面承受的溫度遠遠大于內部承受的溫度從而導致表面損壞。而微波加工技術則通過電磁場分子間相互作用直接把熱量傳送至材料，加熱均勻、時間短。加熱速率可高達1000 ℃/min。微波加工技術降低了材料內部的熱梯度和加工溫度、反應時間更快、微結構的密度更大、機械性能也更好。
       熔態(tài)旋凝法（FS）是一種快速制備微米、納米級纖維材料的工藝。與靜電紡絲工藝相比，F(xiàn)S法在實驗室制備纖維的效率高達1g/min。FS法和微波照射法相結合可以快速生產陶瓷材料；FS法通過離心力來克服剪力從而促進纖維的延長。
       本試驗對β-SiC的制備和優(yōu)化參數進行了研究和表征；實驗中的綠色細纖維由聚合物前驅體法制備而成，利用了聚苯乙烯和聚碳亞甲基溶液。制備出的無紡細纖維由FESEM、XRD、EDS和FTIR進行表征。
實驗
材料
       聚苯乙烯（PS）280,000 g/mol，聚碳亞甲基（PCmS）800 g/mol，甲苯。
       在氮氣操作箱內配備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。
細纖維制備
       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秒內用完。纖維絲沉積在圓形收集器內16個均勻放置的聚四氟乙烯棒上。整個過程都在操作箱內進行以防止氧化。
       加熱過程中，預陶瓷聚合物（PCmS）轉化為陶瓷SiC之前，聚苯乙烯已經達到玻璃轉化溫度，因此進行纖維交聯(lián)以保持前驅體細纖維的幾何完整性。收集到的細纖維放置在254nm波長的紫外線下24小時。交聯(lián)反應也在充氮操作箱內進行。
微波裂解
       實驗使用器材為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的可調微博能量，頻率2.45GHz。磁控管輸出后進入WR340波導管。用Omega iSeries iR2 紅外線高溫計進行溫度測量。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始進行微波加熱，每隔4分鐘功率增加100W，直至600W。在600W時的加工時間為3分鐘，觀察到的溫度大致接近1140℃。
纖維表征
       實驗采用SEM進行纖維形態(tài)觀察，使用的是Carl Zeiss AxioVision軟件來測量纖維直徑。Bruker AXS D8衍射儀進行XRD分析；Cary 600 Series FTIR能譜儀進行FTIR-ATR分析。
結果和討論
       不少學者對SiC細纖維前驅體的優(yōu)化已經做了研究。本實驗主要通過傳統(tǒng)的熱解方法來研究高結晶性β-SiC細纖維的制備。實驗求得了引起纖維平均直徑在270nm至2μm間變化的參數值。圖一為無紡細纖維層和直徑分布。圖二為微米級和亞微米級尺寸的前驅體纖維SEM圖。圖中紅色框內顯示了纖維的粘和力。
       本實驗中的材料由PS和PCmS構成，分子式分別為(C8H8)n和(C2H6Si)n。在550-800℃時前驅體由于分解而轉化為無機物。溫度從800℃增至1000℃的過程中非晶SiC形成，在1000℃時形成結晶SiC。

       圖三為XRD結果，表一為對應峰值。峰值顯示了前驅體到β-SiC的轉化。峰值出現(xiàn)輕微的擴大基期是由于一些未反應物質或非晶SiC殘留在了試樣中。2θ為26.74°時出現(xiàn)了一個碳峰值（參考代碼04-014-0337）。

       在波數740-970cm-1之間有SiC FTIR反射帶。圖四中的FTIR掃描顯示了在波數788 cm-1處的反射帶，驗證了圖三中前驅體細纖維的陶瓷轉化。波數1003 cm-1處的峰值為Si-O鍵，意味著試樣中有SiO2。XRD分析中沒有檢測到SiO2可能是因為其納米尺寸的緣故。如果將未加工的前驅體暴露在氧氣中，Si-H和Si-H3會發(fā)生氧化從而形成Si-O-Si。前驅體中的氧族就在1200℃以下的溫度形成非晶SiO2。實驗對纖維前驅體和陶瓷纖維進行EDS觀察，兩種試樣中觀察到的氧如表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。

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

 

結論
       本研究利用微波能量加工和熔態(tài)旋凝法成功實現(xiàn)了由噴絲PS/PCmS細纖維到β-碳化硅細纖維的陶瓷轉化。這兩種方法結合可以快速制備出陶瓷納米材料。XRD和FTIR分析結果進一步證實了細纖維的陶瓷轉化。SEM圖也觀察到了微米、亞微米纖維。（編譯：中國超硬材料網）