CN111960420A

CN111960420A - 一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法

Info

Publication number: CN111960420A
Application number: CN202010912704.1A
Authority: CN
Inventors: 赵敏; 王景伟; 田震; 陈钦; 张西华; 庄绪宁; 白建峰; 顾卫华; 张承龙; 李如燕
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2020-11-20

Abstract

本发明公开了一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法。本发明将废硅料和废碳料初步破碎，使得平均粒径在0.1‑0.5mm之间；然后将破碎后的废硅料和废碳料按比例混合后进行球磨；再在球磨好的混合料内加入粘结剂，搅拌均匀，将混合料送入压丸机制丸；将压制好的球丸埋入填充有高碳助烧剂的耐高温烧结管道内进行微波烧结，结果表明，可在若干分钟内快速制备碳化硅，大幅减少了传统工艺生产碳化硅的烧结时间，简化了生产工艺，是一种潜在的、具有较高应用价值的节能环保型生产技术。

Description

一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法

技术领域

本发明涉及一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法，属于资源再生技术领域。

背景技术

碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅是一种极其重要的工业陶瓷产品，无毒，使用广泛，具有仅次于金刚石的硬度，是工业磨料领域的主角。碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、熔炉衬板、支撑件、精馏炉塔盘、铝电解槽等，还可以制作火箭喷管、燃气轮机叶片等。冶金行业主要做脱氧剂使用。近些年，碳化硅在电子和新能源行业的拓展应用研究比较深入，由于β-SiC拥有的带宽为300k下2.2电子伏，使其在高频、高能半导体材料领域应用潜力较大，在新能源领域，SiC作为电池复合电极材料方面及核能领域具有一定的应用潜力。

传统艾奇逊法生产碳化硅主要原理是硅碳材料在高温电炉内，还原气氛条件下，2000℃左右合成碳化硅，热传导导热，生产周期长达48-72h，产品生产时的温度均匀性不够好，产品质量和产品结构存在一定的差异，已经有100多年的应用历史，已不能满足高端领域对高品质碳化硅的需求，另外，该工艺存在高能耗、低能量利用率，环境污染较大等缺点，开发更加节能、环保、工艺简单的碳化硅合成工艺意义较大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法。该方法以电子废弃物为原料生产碳化硅，反应时间短，节能环保，并能有效实现变废为宝的目的。

一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法，包括以下步骤：

（1）将废硅料和废碳料初步破碎，使得平均粒径在0.1-0.5mm之间；

（2）将破碎后的废硅料和废碳料按比例混合后进行球磨；

（3）在球磨好的混合料内加入粘结剂，搅拌均匀，再将混合料送入压丸机制丸；

（4）将压制好的碳硅丸料送入已经填充好高碳助烧剂的耐高温烧结管道内；

（5）将填充好的耐高温烧结管道送入微波加热设备，在1300-1600℃的温度下微波烧结，烧结结束后，从高碳助烧剂内直接获取烧结成功的碳化硅丸，经破碎，得到成品。

本发明中，步骤（1）中，废碳料为废锂离子电池负极-石墨粉。

本发明中，步骤（2）中，废硅料为光伏硅废料、废芯片硅料时，废硅料中的硅元素和废碳料中的碳元素的摩尔比为1:1；废硅料为石英砂或尾矿渣时，废硅料中的硅元素和废碳料中的碳元素的摩尔比为1:3。

本发明中，步骤（2）中，球磨机转速为400~500 r/min，球磨时间为3~8小时。

本发明中，步骤（3）中，粘接剂为水，使得混合料中的含水量为28-36wt%。

本发明中，步骤（4）中，高碳助烧剂为废石墨或碳化硅粉末材料中的一种或两种；高碳助烧剂形态为片状、粉状、粒状、球状或棒状中的一种或几种。

本发明中，步骤（4）中，耐高温烧结管道为内外管双层结构；耐高温烧结管道的内管中间填充高碳助烧剂，碳硅丸料埋入高碳助烧剂内；高温状态下，部分高碳助烧剂与氧气结合，阻止含氧气体进入碳化硅烧结区；

耐高温烧结管道的左右两端为可拆卸圆柱状石墨块，可拆卸圆柱状石墨块上设置若干通孔，可拆卸圆柱状石墨块的外缘为锯齿型结构或凹槽结构。可拆卸圆柱状石墨块上通孔和外缘的设计，在阻挡高碳助烧剂溢出的同时，可以释放反应气体，能有效平衡烧结管道工作时内外气压。

本发明中，内管为石英管或高硼玻璃管，外管为石英管、高硼玻璃管、刚玉管、高铝管、石墨管或陶瓷管中的任一种。

本发明中，步骤（4）中，碳硅丸料形态是球状、柱状、半球状、椭球、棒状、片状、蜂窝状、长方体、立方体、椎状中的一种、几种或其变形。

本发明中，步骤（5）中，微波加热设备的微波功率为600~3000W，烧结时间为20s-10min。

本发明中，所述耐高温烧结管道左右两端为可拆卸圆柱状石墨块，生产碳化硅原材料位于烧结管道的中间部位，埋入高碳助烧剂内部，高温状态下，部分高碳助烧剂与氧气结合，阻止含氧气体进入碳化硅烧结区。

本发明中，碳化硅与微波辐射有很强的耦合作用，能够在微波场内快速升温。生产原料之一的碳材料本身对微波拥有近100%的吸收率，而硅材料虽然具有对微波的吸收效率较低或不吸收的特点，但将硅材料与碳材料充分混合，微波吸收能力足够促使其在微波辐照条件下，在极短时间内达到合成碳化硅所需的温度，随着碳化硅的生成，其微波耦合能力得到加强，在高碳助烧剂的协同作用下，进一步提高了微波烧结温度，提高了碳化硅的烧结温度和生成效率。由于微波加热属于高频电磁波加热，热传导效应不占主导，加热速度快，材料内外同时发热，受热相对均匀，由于微波加热时间极短，直接作用于碳化硅材料自身，能量耗散量低，其综合能耗也较传统合成方法少，从而使该微波烧结制碳化硅的工艺比传统工艺节能。和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

缩短了传统碳化硅生产时间，提高了能量利用率和生产效率，同时以废弃物为生产原料，是一种潜在的、具有较高应用价值的节能、环保型技术。

附图说明

图1是实施例中耐高温管的结构图示。

图2是实施例中制备的碳化硅产品的XRD光谱。

图中标号：1-碳硅丸料，2-高碳助烧剂，3-刚玉管，4-石英玻璃管，5-圆柱石墨块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

实施例1

（1）分别称取粗碎至0.3mm左右的28克废光伏硅废料（Si）和12克废锂离子电池负极石墨；

（2）将称量好的原料初步混合后，上行星式球磨机球磨7h，400r/min；

（3）加入14ml蒸馏水到磨制好的混合料内，使其最终含水量在28%左右，将搅拌好的浆料上压丸机压制丸料1；

（4）将直径较小的石英管4深入到直径较大的刚玉管3内，利用石墨块5封堵石英管4的一侧开口；

（5）在石英管4内部送入部分高碳助烧剂2后再加入若干压制好的部分丸料1；

（6）再次在石英管4内送入高碳助烧剂2后用另外一块石墨块5封堵石英管4开口；

（7）将填充好的耐高温管（图1）送入微波烧结设备进行微波烧结，烧结温度控制在1460±50℃，烧结时间控制在5-8min；

（8）烧结结束后，可从高碳助烧剂2内直接获取烧结成功的碳化硅丸；

（9）简单破碎、磨制后即可制成纳米级碳化硅产品；

（10）碳化硅产品X射线衍射图谱见图2；

（11）碳化硅产品的含量＞99.5%，粒径在100nm-1μm，呈现纳米簇形态。

实施例2

（3）加入21ml蒸馏水到磨制好的混合料内，使其最终含水量在36%左右，搅拌均匀；

（4）将搅拌好的浆料上压丸机压制丸料1；

（5）将直径较小的石英管4深入到直径较大的刚玉管3内，利用石墨块5封堵石英管4的一侧开口；

（6）在石英管4内部送入部分高碳助烧剂2后再加入若干压制好的部分丸料1；

（7）再次在石英管4内送入高碳助烧剂2后用另外一块石墨块5封堵石英管4开口；

（8）将填充好的耐高温管（图1）送入微波烧结设备进行微波烧结，烧结温度控制在1400±50℃，烧结时间控制在6-8min ；

（9）烧结结束后，可从高碳助烧剂2内直接获取烧结成功的碳化硅丸；

（10）简单破碎、磨制后即可制成纳米级碳化硅产品；

（11）碳化硅产品的含量近100%，粒径在 100nm-1μm，呈现纳米簇形态。

Claims

1.一种微波辐照电子废弃物快速生产纳米碳化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将废硅料和废碳料初步破碎，使得平均粒径在0.1-0.5mm之间；

（2）将破碎后的废硅料和废碳料按比例混合后进行球磨；

（5）将填充好的耐高温烧结管道送入微波加热设备，在1300-1600℃的温度下微波烧结，烧结结束后，从高碳助烧剂内得碳化硅丸，经破碎，得到成品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，废碳料为废锂离子电池负极-石墨粉。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，废硅料为光伏硅废料、废芯片硅料时，废硅料中的硅元素和废碳料中的碳元素的摩尔比为1:1；废硅料为石英砂或尾矿渣时，废硅料中的硅元素和废碳料中的碳元素的摩尔比为1:3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，球磨机转速为400~500 r/min，球磨时间为3~8小时。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，粘接剂为水，使得混合料中的含水量为28-36wt%。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，高碳助烧剂为废石墨或碳化硅粉末材料中的一种或两种，高碳助烧剂的形态为片状、粉状、粒状、球状或棒状中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，耐高温烧结管道为内外管双层结构；耐高温烧结管道的内管中间填充高碳助烧剂，碳硅丸料埋入高碳助烧剂内；耐高温烧结管道的左右两端为可拆卸圆柱状石墨块，可拆卸圆柱状石墨块上设置若干通孔，可拆卸圆柱状石墨块的外缘为锯齿型结构或凹槽结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，内管为石英管或高硼玻璃管，外管为石英管、高硼玻璃管、刚玉管、高铝管、石墨管或陶瓷管中的任一种。

9.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，碳硅丸料形态是球状、柱状、半球状、椭球、棒状、片状、蜂窝状、长方体、立方体、椎状中的一种、几种或其变形。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中，微波加热设备的微波功率为600~3000W，微波烧结时间为20s-10min。