引言

        微波照射技術(shù)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(jié)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(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、行波管和振動陀螺儀等技術(shù)來產(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(nèi)部承受的溫度從而導致表面損壞。而微波加工技術(shù)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(shù)降低了材料內(nèi)部的熱梯度和加工溫度、反應(yīng)時間更快、微結(jié)構(gòu)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(jié)合可以快速生產(chǎn)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(shù)進行了研究和表征；實驗中的綠色細纖維由聚合物前驅(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(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。

       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(nèi)用完。纖維絲沉積在圓形收集器內(nèi)16個均勻放置的聚四氟乙烯棒上。整個過程都在操作箱內(nèi)進行以防止氧化。
       加熱過程中，預陶瓷聚合物（PCmS）轉(zhuǎn)化為陶瓷SiC之前，聚苯乙烯已經(jīng)達到玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此進行纖維交聯(lián)以保持前驅(qū)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(yīng)也在充氮操作箱內(nèi)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(diào)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(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(jié)果和討論

       不少學者對SiC細纖維前驅(qū)體的優(yōu)化已經(jīng)做了研究。本實驗主要通過傳統(tǒng)的熱解方法來研究高結(jié)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(shù)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(qū)體纖維SEM圖。圖中紅色框內(nèi)顯示了纖維的粘和力。
       本實驗中的材料由PS和PCmS構(gòu)成，分子式分別為(C8H8)n和(C2H6Si)n。在550-800℃時前驅(qū)體由于分解而轉(zhuǎn)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(jié)晶SiC。        圖三為XRD結(jié)果，表一為對應(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°時出現(xiàn)了一個碳峰值（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，驗證了圖三中前驅(qū)體細纖維的陶瓷轉(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(qū)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(qū)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(qū)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(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。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(qū)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(jié)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(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)果進一步證實了細纖維的陶瓷轉(zhuǎn)化。SEM圖也觀察到了微米、亞微米纖維。（翻譯：中國磨練磨具網(wǎng)）