CN112802957A - 一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置及制备方法：其中，制备装置包括石英试管、石英支架、石英塞子、隔热套、升降机、立式管式炉、耐高温电阻丝；石英试管的管壁上有一个向管内方向的凸起点；石英支架包括圆柱形石英基底和两条石英丝；石英塞子用于真空密封石英试管；石英支架位于石英试管管壁凸起点和石英塞子之间，能够来回移动；隔热套包括圆柱形套筒和耐高温电阻丝网格；隔热套通过耐高温电阻丝与升降机相连。本发明通过在多孔硅上重复沉积镁和镁硅反应两步法制备硅化镁，操作简单，成本低廉，能够制备出高质量的多孔硅与硅化镁复合材料。

Description

一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及热电材料制造领域，尤其涉及一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置及制备方法。

背景技术

随着化石燃料的大量消耗，日益显现的能源危机和环境危机已经开始越来越严重的影响人们的生活。人类需要绿色、可循环、低碳的可持续发展方式。热电材料是一种能够实现热能和电能之间直接相互转化的功能性材料。可以将其工业废热和汽车尾气等废热转化为电能再利用，可有效缓解能源危机。热电材料的热电性能通常用无量纲优值zT＝(S²σ)T/κ来衡量，式中S、σ、κ和T分别为Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度。

多孔硅和硅化镁都是非常有潜力的热电材料，得到了广泛的研究。多孔硅以其特殊的多孔结构，极大地降低了块状硅的热导率，但对其电导率影响较小。硅化镁基热电材料是一种原材料蕴藏丰富、绿色环保且发展前景很好的一类中温热电材料，具有较好的电导率，但热导率也偏高。以多孔硅为骨架，制备出多孔硅与硅化镁复合材料，将有效地降低硅化镁基热电材料的热导率，从而影响材料的热电性能。然而制备硅化镁所需要的镁材料是一种非常活泼的金属，在高温下与很多物质都发生化学反应，且极易氧化。因此该材料对使用条件要求很高。目前，人们采用磁控溅射法、电子束辅助沉积法等在单晶硅片上制备硅化镁。这些方法采用的仪器价格昂贵，不利于广泛使用。此外，由于镁极易被氧化，利用上述方法在沉积镁或硅镁反应的过程中，或多或少地会引入氧化镁杂质。

因此，开发一种操作简单，成本低廉，且能制备出高质量无氧化镁杂质的硅化镁的装置和方法，对于多孔硅与硅化镁复合材料的制备具有重要意义，也为硅化镁的制备提供了一种新的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置及制备方法。该制备装置及制备方法易于建立温度梯度，使镁更容易在多孔硅孔洞表面附着并反应；该制备装置及制备方法使镁与多孔硅在完全密闭的环境下反应，使制备的硅化镁样品中无氧化镁杂质生成，也不会引入其他杂质；多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置操作简单，成本低廉，能够制备出高质量的多孔硅与硅化镁复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一个方面，一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置，其特征在于：其包括石英试管、石英支架、石英塞子、隔热套、升降机、立式管式炉、耐高温电阻丝；所述的石英试管的管壁上，距离石英试管底部1.5～3cm处有一个向管内方向的凸起点；所述的石英支架包括圆柱形石英基底和两条石英丝，所述的石英丝两端粘结于石英基底的一个端面上；所述的石英塞子距离所述的石英试管管底8～15cm，用于真空密封所述石英试管；所述的石英支架位于所述的石英试管管壁凸起点和石英塞子之间，能够来回移动；所述的隔热套包括圆柱形套筒和耐高温电阻丝网格，所述的圆柱形套筒高1.5～3cm，内径大于石英试管外径，外径小于立式管式炉炉管内径，所述的耐高温电阻丝网格固定在所述的圆柱形套筒的一端，用于阻止石英试管通过；所述的隔热套通过一根耐高温电阻丝与升降机相连；所述的升降机位于立式管式炉炉口的正上方；所述的立式管式炉用于为石英试管建立一个温度梯度。

所述的隔热套圆柱形套筒由氧化铝微球、陶瓷纤维等耐火隔热材料组成。

第二个方面，本发明提供一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过切削去除镁粒表面的氧化层，然后将镁粒放入石英试管管底；

2)通过公知的电化学阳极腐蚀法将硅片的一面腐蚀后制备出多孔硅；

3)将制备好的多孔硅片固定在石英支架上，未腐蚀面与石英支架中的圆柱形石英基底相接触，然后将多孔硅面向石英试管管底放入石英试管中；

4)将石英试管中的气体置换成氩气后，在抽真空条件下加热距石英管管底8-15cm处，使该处出现一个向管内方向的凸起点；

5)将石英塞子放入步骤4)的石英试管，使塞子与步骤4)中制作的凸起点相接触，用氩气置换石英试管中气体后，抽真空条件下加热石英试管外壁，使石英塞子与石英试管粘结，以密封石英试管；

6)通过晃动石英试管，使石英支架移动到石英塞子一侧，镁粒位于石英试管底部，然后将石英试管平放入水平管式炉中，利用管式炉中的温度梯度，使镁粒加热至650～700℃，多孔硅处于相对较低的温度，保持5～10min，然后快速推出石英试管，使其迅速冷却，使镁粒表面残余的氧化层破裂；

7)将石英试管竖直放置，石英塞子位于上面，镁粒位于下面，然后将石英试管的底部放入隔热套中，利用升降机将石英试管与隔热套一起竖直放入立式管式炉中；

8)利用立式管式炉的温度梯度及隔热套的隔热作用，使镁粒加热至500～600℃，多孔硅片加热至300～350℃，保持1～4min，产生的镁蒸气会冷凝于多孔硅片的表面；

9)通过升降机将隔热套及石英试管在立式管式炉中向下移动，使多孔硅片处于500～600℃，镁粒处于250～350℃，保持10～30min，使多孔硅片表面的镁与多孔硅发生反应，生成硅化镁；

10)重复步骤8)和步骤9)的过程，制备更多的硅化镁。

所述的镁粒为市售镁粒。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明装置主体材料全部为石英材质，虽然镁与二氧化硅反应，但并不会对主体造成太大影响，也不会在多孔硅与硅化镁复合材料中引入杂质；2、本发明能够轻易调节镁与多孔硅之间的距离，因此容易控制镁和多孔硅之间的温度差，进而控制镁在多孔硅上的沉积与反应速率；3、本发明中的镁粒会首先与装置中残余的微量氧发生反应，以除掉氧气，以制备出高质量的硅化镁；4、本发明装置通过重复沉积镁和镁硅反应两步制备硅化镁，因此反应过程可控性好。

附图说明

图1为本发明多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置结构示意图；

图2为本发明装置中石英试管和其内部装置的结构示意图；

图3为本发明石英支架的正视图；

图4为本发明隔热套的俯视图；

图5是本发明实施例2的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置，如图1～4所示，包括石英试管1、石英支架2、石英塞子3、隔热套4、升降机5、立式管式炉6、耐高温电阻丝7，其中：

石英试管1的管壁上，距离石英试管1底部1.5～3cm处有一个向管内方向的凸起点11。石英支架2包括圆柱形石英基底21和两条石英丝22，石英丝22两端粘结于石英基底21的一个端面上。石英塞子3距离石英试管1管底8～15cm，用于真空密封石英试管1；石英支架2位于石英试管1的管壁凸起点11和石英塞子3之间，能够来回移动；隔热套4包括圆柱形套筒41和耐高温电阻丝网格42，圆柱形套筒41高1.5～3cm，内径大于石英试管1外径，外径小于立式管式炉6炉管内径，耐高温电阻丝网格42固定在隔热套筒41的一端，用于阻止石英试管1通过；隔热套4通过耐高温电阻丝7与升降机5相连；升降机5位于立式管式炉6炉口的正上方；立式管式炉6用于为石英试管1建立一个温度梯度。

石英试管1在立式管式炉6中加热时，石英试管1的底部竖直放置在隔热套4中，由于重力因素，石英支架2会自动向下移动，直至被凸起点11卡住，使石英支架2上的多孔硅片8和镁粒9保持1.5～3cm的距离。石英支架2既可以不引入杂质，又能够固定多孔硅片。隔热套4使多孔硅片8和镁粒9之间存在较大温差，因此隔热套4的圆柱形套筒41由氧化铝微球、陶瓷纤维等耐火隔热材料制作。

与现有技术相比，本发明的制备装置操作简单，成本低廉，并且能够制备出高质量的多孔硅与硅化镁复合材料。

实施例1

一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)通过切削去除镁粒9表面的氧化层，然后将镁粒9放入石英试管1管底；

2)通过公知的电化学阳极腐蚀法将硅片的一面腐蚀后制备出多孔硅片8，多孔硅片8包括多孔硅层81和硅基底82；

3)将制备好的多孔硅片8固定在石英支架2上，硅基底82与石英支架2中的圆柱形石英基底21相接触，然后将多孔硅层81面向石英试管1管底放入石英试管1中；

4)将石英试管1中的气体置换成氩气后，在抽真空条件下加热距石英试管1管底8cm处，使该处出现一个向管内方向的凸起点12；

5)放入石英塞子3，使石英塞子3与步骤4)中的凸起点12相接触，用氩气置换石英试管1中气体后，抽真空条件下加热石英试管1外壁，使石英塞子3与石英试管1管壁粘结，以密封石英试管1；

6)通过晃动石英试管1，使石英支架2移动到石英塞子3一侧，镁粒7位于石英试管1底部，然后将石英试管1平放入水平管式炉中，利用管式炉中的温度梯度，使镁粒7加热至650℃，多孔硅片8处于相对较低的温度，保持10min，然后快速推出石英试管1，使其迅速冷却，使镁粒7表面残余的氧化层破裂；

7)将石英试管1竖直放置，石英塞子3位于镁粒7的上方，石英支架2会自动向下移动，直至被凸起点11卡住，然后将石英试管1的底部放入隔热套4中，利用升降机5将石英试管1与隔热套4一起竖直放入立式管式炉6中；

8)利用立式管式炉6的温度梯度及隔热套4的隔热作用，使镁粒7加热至500℃，多孔硅片8加热至300℃，保持4min，使镁蒸气冷凝于多孔硅片8的表面；

9)通过升降机5将隔热套4及石英试管1在立式管式炉6中向下移动，使多孔硅片8处于500℃，镁粒7处于250℃，保持30min，使多孔硅片8表面的镁与多孔硅层81发生反应，生成硅化镁；

10)隔热套4及石英试管1自然冷却后，重复步骤8)和步骤9)的过程，制备更多的硅化镁。

实施例2

一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)通过切削去除镁粒9表面的氧化层，然后将镁粒9放入石英试管1管底；

2)通过公知的电化学阳极腐蚀法将硅片的一面腐蚀后制备出多孔硅片8，多孔硅片8包括多孔硅层81和硅基底82；

3)将制备好的多孔硅片8固定在石英支架2上，硅基底82与石英支架2中的圆柱形石英基底21相接触，然后将多孔硅层81面向石英试管1管底放入石英试管1中；

4)将石英试管1中的气体置换成氩气后，在抽真空条件下加热距石英试管1管底11cm处，使该处出现一个向管内方向的凸起点12；

5)放入石英塞子3，使石英塞子3与步骤4)中的凸起点12相接触，用氩气置换石英试管1中气体后，抽真空条件下加热石英试管1外壁，使石英塞子3与石英试管1管壁粘结，以密封石英试管1；

6)通过晃动石英试管1，使石英支架2移动到石英塞子3一侧，镁粒7位于石英试管1底部，然后将石英试管1平放入水平管式炉中，利用管式炉中的温度梯度，使镁粒7加热至675℃，多孔硅片8处于相对较低的温度，保持8min，然后快速推出石英试管1，使其迅速冷却，使镁粒7表面残余的氧化层破裂；

7)将石英试管1竖直放置，石英塞子3位于镁粒7的上方，石英支架2会自动向下移动，直至被凸起点11卡住，然后将石英试管1的底部放入隔热套4中，利用升降机5将石英试管1与隔热套4一起竖直放入立式管式炉6中；

8)利用立式管式炉6的温度梯度及隔热套4的隔热作用，使镁粒7加热至550℃，多孔硅片8加热至325℃，保持3min，使镁蒸气冷凝于多孔硅片8的表面；

9)通过升降机5将隔热套4及石英试管1在立式管式炉6中向下移动，使多孔硅片8处于550℃，镁粒7处于300℃，保持20min，使多孔硅片8表面的镁与多孔硅层81发生反应，生成硅化镁；

10)隔热套4及石英试管1自然冷却后，重复步骤8)和步骤9)的过程，制备更多的硅化镁。

该多孔硅与硅化镁复合材料的XRD测试结果如图5所示，表明制备出了硅化镁。

实施例3

一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)通过切削去除镁粒9表面的氧化层，然后将镁粒9放入石英试管1管底；

2)通过公知的电化学阳极腐蚀法将硅片的一面腐蚀后制备出多孔硅片8，多孔硅片8包括多孔硅层81和硅基底82；

3)将制备好的多孔硅片8固定在石英支架2上，硅基底82与石英支架2中的圆柱形石英基底21相接触，然后将多孔硅层81面向石英试管1管底放入石英试管1中；

4)将石英试管1中的气体置换成氩气后，在抽真空条件下加热距石英试管1管底15cm处，使该处出现一个向管内方向的凸起点12；

5)放入石英塞子3，使石英塞子3与步骤4)中的凸起点12相接触，用氩气置换石英试管1中气体后，抽真空条件下加热石英试管1外壁，使石英塞子3与石英试管1管壁粘结，以密封石英试管1；

6)通过晃动石英试管1，使石英支架2移动到石英塞子3一侧，镁粒7位于石英试管1底部，然后将石英试管1平放入水平管式炉中，利用管式炉中的温度梯度，使镁粒7加热至700℃，多孔硅片8处于相对较低的温度，保持5min，然后快速推出石英试管1，使其迅速冷却，使镁粒7表面残余的氧化层破裂；

7)将石英试管1竖直放置，石英塞子3位于镁粒7的上方，石英支架2会自动向下移动，直至被凸起点11卡住，然后将石英试管1的底部放入隔热套4中，利用升降机5将石英试管1与隔热套4一起竖直放入立式管式炉6中；

8)利用立式管式炉6的温度梯度及隔热套4的隔热作用，使镁粒7加热至600℃，多孔硅片8加热至350℃，保持1min，使镁蒸气冷凝于多孔硅片8的表面；

9)通过升降机5将隔热套4及石英试管1在立式管式炉6中向下移动，使多孔硅片8处于600℃，镁粒7处于350℃，保持10min，使多孔硅片8表面的镁与多孔硅层81发生反应，生成硅化镁；

10)隔热套4及石英试管1自然冷却后，重复步骤8)和步骤9)的过程，制备更多的硅化镁。

Claims (4)

1.一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置，其特征在于：其包括石英试管、石英支架、石英塞子、隔热套、升降机、立式管式炉、耐高温电阻丝；

所述的石英试管的管壁上，距离石英试管底部1.5～3cm处有一个向管内方向的凸起点；所述的石英支架包括圆柱形石英基底和两条石英丝，所述的石英丝两端粘结于石英基底的一个端面上；所述的石英塞子距离所述的石英试管管底8～15cm，用于真空密封所述石英试管；所述的石英支架位于所述的石英试管管壁凸起点和石英塞子之间，能够来回移动；所述的隔热套包括圆柱形套筒和耐高温电阻丝网格，所述的圆柱形套筒高1.5～3cm，内径大于石英试管外径，外径小于立式管式炉炉管内径，所述的耐高温电阻丝网格固定在圆柱形套筒的一端，用于阻止石英试管通过；所述的隔热套通过耐高温电阻丝与升降机相连；所述的升降机位于立式管式炉炉口的正上方；所述的立式管式炉用于为石英试管建立一个温度梯度。

2.如权利要求1所述的一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备装置，其特征在于：所述的隔热套圆柱形套筒由氧化铝微球、陶瓷纤维等耐火隔热材料组成。

3.一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备方法，根据权利要求1～2任一项所述的制备装置制备多孔硅与硅化镁复合材料，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过切削去除镁粒表面的氧化层，然后将镁粒放入石英试管管底；

2)通过公知的电化学阳极腐蚀法将硅片的一面腐蚀后制备出多孔硅；

3)将制备好的多孔硅片固定在石英支架上，未腐蚀面与石英支架中的圆柱形石英基底相接触，然后将多孔硅面向石英试管管底放入石英试管中；

4)将石英试管中的气体置换成氩气后，在抽真空条件下加热距石英管管底8-15cm处，使该处出现一个向管内方向的凸起点；

5)将石英塞子放入步骤4)的石英试管，使塞子与步骤4)中制作的凸起点相接触，用氩气置换石英试管中气体后，抽真空条件下加热石英试管外壁，使石英塞子与石英试管粘结，以密封石英试管；

6)通过晃动石英试管，使石英支架移动到石英塞子一侧，镁粒位于石英试管底部，然后将石英试管平放入水平管式炉中，利用管式炉中的温度梯度，使镁粒加热至650～700℃，多孔硅处于相对较低的温度，保持5～10min，然后快速推出石英试管，使其迅速冷却，使镁粒表面残余的氧化层破裂；

7)将石英试管竖直放置，石英塞子位于上面，镁粒位于下面，然后将石英试管的底部放入隔热套中，利用升降机将石英试管与隔热套一起竖直放入立式管式炉中；

8)利用立式管式炉的温度梯度及隔热套的隔热作用，使镁粒加热至500～600℃，多孔硅片加热至300～350℃，保持1～4min，产生的镁蒸气会冷凝于多孔硅片的表面；

9)通过升降机将隔热套及石英试管在立式管式炉中向下移动，使多孔硅片处于500～600℃，镁粒处于250～350℃，保持10～30min，使多孔硅片表面的镁与多孔硅发生反应，生成硅化镁；

10)重复步骤8)和步骤9)的过程，制备更多的硅化镁。

4.如权利要求3所述的一种多孔硅与硅化镁复合材料的制备方法，其特征在于：所述的镁粒为市售镁粒。

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