CN116917252A - 用于包含硅金属的碳氧化硅陶瓷材料的***和方法 - Google Patents

Abstract

本文中公开了用于合成聚合物衍生的陶瓷材料的***和方法，所述聚合物衍生的陶瓷材料包含含有硅金属的碳氧化硅。在一些实施方案中，在热处理过程中通过碳热还原形成硅金属。在一些实施方案中，所述热处理包括微波等离子体处理。在一些实施方案中，所述硅金属在所述碳氧化硅陶瓷材料的结构内形成纳米域。

Description

用于包含硅金属的碳氧化硅陶瓷材料的***和方法

通过引用而并入任何优先权申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)而要求2021年2月22日提交的第63/152147号美国临时申请的优先权权益，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

领域

本公开的一些实施方案涉及使用微波等离子体处理的用于碳氧化硅(siliconoxycarbide)陶瓷材料的***和方法。

说明

碳氧化硅是一种无定形陶瓷，通常通过烧结所谓的“陶瓷先驱体聚合物(preceramic polymers)”制备。这些材料被用于高温应用中，在这些应用中它们抵抗由于晶体生长和粗化而导致的弱化。所述材料的无定形性质一直保持到高温，其中在高于所述高温所述材料结晶成氧化硅和碳化硅。

所述材料已经用于锂离子电池组应用中，其中某些聚合物使得能够在烧结的陶瓷中产生纯碳的纳米域(nanodomains)。这些碳域使得能够通过否则为电阻性的碳氧化硅本体进行电和锂传导。

发明内容

为了本概述的目的，在此描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本发明的任意特定实施方案，并非所有这样的优点都是必然可以实现的。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以以实现本文中教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现本文可能教导或建议的其它优点。

本文中的一些实施方案涉及碳氧化硅(SiOC)材料，该SiOC材料包含：SiOC陶瓷材料；和在所述SiOC陶瓷材料内的多个游离硅(free silicon)纳米域。

在一些实施方案中，所述多个纳米域中的每一个包含小于50nm的尺寸。在一些实施方案中，所述SiOC陶瓷材料内的所述多个游离硅的纳米域通过碳热还原(carbothermalreduction)原位形成。在一些实施方案中，所述SiOC材料通过使前体材料经受微波等离子体而形成。在一些实施方案中，所述前体包括交联的苯基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷或甲基硅氧烷或其组合。在一些实施方案中，所述前体包括固体前体。在一些实施方案中，所述微波等离子体包括微波等离子体炬(microwave plasma torch)的羽流(plume)或排气(exhaust)。在一些实施方案中，所述SiOC材料包括开放晶胞结构(open-cell structure)。在一些实施方案中，所述SiOC材料包括封闭晶胞结构(closed-cell structure)。在一些实施方案中，所述SiOC材料包括多个耐应变(strain-tolerant)颗粒。

本文中的一些实施方案涉及碳氧化硅(SiOC)陶瓷材料，该材料包含：硅金属，其中所述硅金属是在陶瓷先驱体聚合物的热处理过程中通过所述陶瓷先驱体聚合物的碳热还原形成，其中所述热处理用于形成所述SiOC陶瓷材料。

在一些实施方案中，所述SiOC陶瓷材料包含无定形微结构。在一些实施方案中，所述SiOC陶瓷材料包含SiOC的晶胞结构(cell structure)，其中所述硅金属与所述晶胞结构集成在一起。在一些实施方案中，所述晶胞结构包括开放晶胞晶体结构(open-cellcrystal structure)。在一些实施方案中，所述晶胞结构包括封闭晶胞晶体结构(closed-cell crystal structure)。在一些实施方案中，SiOC和所述硅金属的相在微结构SiOC陶瓷材料内是连续的。在一些实施方案中，所述SiOC陶瓷材料包含多个硅金属纳米域。在一些实施方案中，所述多个硅金属纳米域中的每一个包含50nm或更小的直径。

在一些实施方案中，所述热处理包括微波等离子体处理。

本文中的一些实施方案涉及制造聚合物衍生的陶瓷的方法，所述方法包括：将一种或多种陶瓷先驱体聚合物引入微波等离子体炬中；以及在所述微波等离子体炬中加热所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物以形成聚合物衍生的陶瓷。

在一些实施方案中，所述聚合物衍生的陶瓷包括碳氧化硅(SiOC)陶瓷材料。在一些实施方案中，所述SiOC陶瓷材料包含硅金属。在一些实施方案中，在所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物的加热过程中通过所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物的原位碳热还原形成所述硅金属。在一些实施方案中，所述SiOC陶瓷材料包含多个硅金属纳米域。在一些实施方案中，所述多个硅金属纳米域中的每一个包含50nm或更小的直径。

在一些实施方案中，所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物包含苯基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、甲基硅氧烷或其组合。在一些实施方案中，所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物包含交联的苯基硅氧烷。在一些实施方案中，在将所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物引入微波等离子体炬的过程中，所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物是固体。

在一些实施方案中，所述微波等离子体包括微波等离子体炬的等离子体羽流或排气。在一些实施方案中，将所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物加热1ms至25s的时间。

附图说明

提供附图以说明示例实施方案，并且不旨在限制本公开的范围。当参考以下结合附图的描述，将获得对本文中描述的***和方法的更好理解，其中：

图1示出了根据本文中的一些实施方案使用微波等离子体工艺合成的碳氧化硅的X射线粉末衍射(XRD)图。

图2示出了根据本文中的一些实施方案的示例性微波等离子体***。

图3A-3B示出了根据本公开的侧进料料斗实施方案，可用于材料生产中的微波等离子体炬的实施方案。

具体实施方式

尽管下文公开了某些优选的实施方案和示例，但是本发明的主题超出具体公开的实施方案而延伸到其它替代性实施方案和/或用途及延伸到其修改方案和等同方式。因此，所附权利要求的范围不受下面描述的任何特定实施方案的限制。例如，在本文公开的任何方法或过程中，方法或过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不必限于任何特定的公开的顺序。各种操作可以以可能有助于理解某些实施方案的方式依次被描述为多个离散操作；然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作是顺序依赖性的。另外，本文所述的结构、***和/或设备可以被实现为集成部件或分离部件。为了比较各种实施方案的目的，描述了这些实施方案的某些方面和优点。不是所有这样的方面或优点都必然通过任何特定实施方案实现。因此，例如，可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来实施各种实施方案，而不必实现可能也在本文中教导或建议的其它方面或优点。

现在将描述某些示例性实施方案，以提供对本文公开的设备和方法的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。在附图中示出了这些实施方案的一个或多个示例。本领域技术人员将理解，在本文中具体描述并在附图中示出的设备和方法是非限制性的示例性实施方案，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施方案说明或描述的特征可以与其它实施方案的特征组合。这样的修改和变型旨在包括在本技术的范围内。

本文中公开的是使用微波等离子体工艺制造的材料的实施方案，由此可以使用陶瓷先驱体聚合物作为等离子体工艺的原料。本文中使用的陶瓷先驱体聚合物包括一种或多种聚合物，它们在适当的条件下(通常在无氧的情况下)通过热解转化为具有高热稳定性和化学稳定性的陶瓷化合物(ceramic compounds)。由陶瓷先驱体聚合物的热解得到的陶瓷通常称为聚合物衍生的陶瓷，或PDC。在一些实施方案中，PDC可以包含硅(Si)并且包括碳化硅(SiC)、碳氧化硅(SiOC)、氮化硅(SiN)和氮氧化硅(SiON)。在一些实施方案中，此类PDC可以是无定形的，缺乏长程结晶有序性。在一些实施方案中，陶瓷先驱体聚合物可包含聚碳硅烷(polycarbosilanes)和聚硅氧烷，它们通过热解分别转化为SiC和SiOC型陶瓷。在一些实施方案中，陶瓷先驱体聚合物包含苯基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、甲基硅氧烷或其组合。在一些实施方案中，所述陶瓷先驱体聚合物可以是交联的。

在一些实施方案中，可将所述陶瓷先驱体聚合物侧向进料到等离子体，例如氢等离子体。在其它实施方案中，可以使用顶部进料或其它进料取向将陶瓷先驱体聚合物进料到微波等离子体。在一些实施方案中，所述等离子体可以包括氧、氮、氩、氦、空气或氢等离子体。不受理论的限制，在一些实施方案中，所述微波等离子体工艺的特征可在于相对于时间非常高的温度梯度，这使得能够在所得PDC中合成动力学稳定的相。在一些实施方案中，可以在由陶瓷先驱体聚合物制备的碳氧化硅内制造硅金属的这种动力学稳定的相。在常规的热工艺下，由陶瓷先驱体聚合物中的碳通过碳热还原反应产生的硅金属会被过量的碳消灭(即反应)而形成碳化硅。然而，在本文中所述的微波等离子体工艺的时间尺度中，硅金属保留在碳氧化硅陶瓷中。在一些实施方案中，硅金属可以以纳米尺度的纳米域或簇的形式保留在碳氧化硅陶瓷中。在一些实施方案中，本文中所述的方法可以使非活性碳化硅的量最小化并使游离碳的量最大化。此类材料通过等离子体工艺和聚合物优化来生产。

在一些实施方案中，所述陶瓷先驱体聚合物原料在微波等离子体中的停留时间可为约1ms至约25s。例如，在一些实施方案中，陶瓷先驱体聚合物原料在微波等离子体中的停留时间可为约1ms、约5ms、约10ms、约20ms、约30ms、约40ms、约50ms、约100ms、约200ms、约300ms、约400ms、约500ms、约600ms、约700ms、约800ms、约900ms、约1s、约2s、约3s、约4s、约5s、约6s、约7s、约8s、约9s、约10s、约15s、约20s、约25s，或上述值之间的任何值。不受理论的限制，在本文中所述的时间尺度上对陶瓷先驱体聚合物原料进行等离子体处理有利于在PDC材料中形成游离硅金属域，而在使用更长时间尺度的现有处理方法中，任何游离硅金属都会形成碳化硅。

在一些实施方案中，PDC中硅金属域的尺寸通常为纳米级的。如本文中所公开，所述PDC可通过在微波等离子体炬或其它处理方法中处理某些原料材料形成。所述处理可包括将所述原料进料至微波等离子体炬、所述微波等离子体炬的等离子体羽流和/或所述微波等离子体炬的排气中。进料位置可根据所用原料的类型而变化。此外，可以基于不同的条件生产或选择原料。条件的例子是纵横比、粒度分布(PSD)、化学性质、密度、直径、球度、氧化(oxygenation)和孔径。所述处理可进一步包括通过受控的冷却速率冷却经处理的原料。

图1示出了根据本文中的一些实施方案使用微波等离子体工艺合成的碳氧化硅的X射线粉末衍射(XRD)图。图1中的XRD谱中显示了硅金属的证据，其中游离硅金属由28°处的峰表示。28°处的硅峰显示了与35°处的SiC的反相关，各由等离子体处理条件驱动，例如陶瓷先驱体聚合物原料的停留时间。虽然已知当在高温下煅烧时在PDC材料中会发展出SiC，但是先前没有记载在碳氧化硅材料中原位形成游离硅金属相。

应当注意，本文中所述的材料不同于并优于先前制备的材料，例如为了锂离子阳极而制备的那些，其中在烧结聚合物之前将硅金属加入聚合物中。对于阳极应用有价值的硅区域必须非常小，理想地尺寸为几十纳米。制造和处理这样的材料是昂贵和麻烦的。因此，根据本文中的实施方案通过碳热还原在陶瓷内原位形成硅以获得硅金属纳米域具有极大的益处，其可用于锂离子(Li-Ion)电池组应用。在一些实施方案中，碳氧化硅结构可以结合到所述Si金属。在一些实施方案中，所述Si金属可以集成到由碳氧化硅提供的结构，因为其是原位形成的。例如，所述Si金属可以整体地结合到碳氧化硅的开放晶胞或封闭晶胞结构。在一些实施方案中，碳氧化硅和硅金属的各个相在材料的结构中可以是连续的。

在一些实施方案中，所述硅金属通过碳热还原形成，并且以纳米域的形式存在于碳氧化硅中。在一些实施方案中，所述碳氧化硅以包含硅金属纳米域的开放晶胞或封闭晶胞结构形成。如上所述，在一些实施方案中，为了可用于锂离子电池组应用，碳氧化硅内的硅金属的域可以包含约50nm或更小的尺寸。在一些实施方案中，硅金属的域可包括约50nm或更小、约45nm或更小、约40nm或更小、约35nm或更小、约30nm或更小、约25nm或更小、约20nm或更小、约15nm或更小、约10nm或更小、约5nm或更小、约1nm或更小或前述值之间任何大小的尺寸。在一些实施方案中，所述尺寸可以包括硅材料的域的直径。

微波等离子体装置

在一些实施方案中，通过使至少一种陶瓷先驱体聚合物经受微波等离子体来形成SiOC材料。在一些实施方案中，所述陶瓷先驱体聚合物包含交联的聚硅氧烷。在一些实施方案中，所述陶瓷先驱体聚合物包括固体陶瓷先驱体聚合物。在一些实施方案中，将陶瓷先驱体聚合物作为液体雾化进入等离子体中，由此在进料至等离子体之前或期间发生交联。在一些实施方案中，微波等离子体包括微波等离子体炬的羽流或排气。

图2示出了根据本文中的一些实施方案可用于PDC材料生产中的微波等离子体炬200的一个实施方案。在一些实施方案中，可将陶瓷先驱体聚合物原料通过一个或多个原料入口202引入微波等离子体204中。在一些实施方案中，夹带气体流和/或鞘流可以被注入到微波等离子体施加器205中，以在经由微波辐射源206点燃等离子体204之前在等离子体施加器内产生流动条件。在一些实施方案中，所述夹带流和鞘流是轴对称的且是层流，而在其它实施方案中，所述气体流是旋流。在一些实施方案中，原料可被引入微波等离子体炬200中，其中原料可被气体流夹带，该气体流将材料引向等离子体204。

如上所述，所述气体流可以包含周期表的稀有气体族，例如氦气、氖气、氩气等，或者氧气、氮气、空气或氢气。尽管可以使用上述气体，但是应当理解，根据所需的材料和处理条件，可以使用各种各样的气体。在一些实施方案中，在微波等离子体204内，原料可经历物理和/或化学转变。入口202可用于引入工艺气体以夹带并加速原料朝向等离子体204。在一些实施方案中，可以产生第二气体流以为等离子体施加器205和反应室210的内壁提供护套(sheathing)，以保护那些结构免于由于来自等离子体204的热辐射而熔化。

由等离子体施加器205产生的微波等离子体204的各种参数可以手动或自动调节，以获得所需的材料。这些参数可以包括，例如，功率、等离子气体流速、等离子气体的类型、延伸管的存在、延伸管材料、反应室或延伸管的绝热水平、延伸管的涂层水平、延伸管的几何形状(例如锥形的/阶梯形的)、进料材料尺寸、进料材料引入速率、进料材料入口位置、进料材料入口取向、进料材料入口的数目、等离子体温度、停留时间和冷却速率。所生成的材料可离开等离子体进入密封的室122，在此材料被骤冷然后被收集。

在一些实施方案中，原料在微波等离子体施加器之后注入，以在微波等离子体炬的“羽流”或“排气”中进行处理。因此，微波等离子体炬的等离子体在等离子体炬芯管208的出口端处或更下游接合。在一些实施方案中，可调节的下游进料允许通过温度水平和停留时间的精确选择而在适合原料的优化熔化的温度下使原料与等离子体羽流在下游接合。调节入口位置和等离子体特性可允许进一步定制材料特性。此外，在一些实施方案中，通过调整功率、气体流速、压力和设备配置(例如，引入延伸管)，可调整等离子体羽流的长度。

在一些实施方案中，进料配置可包括围绕等离子体羽流的一个或多个单独的进料喷嘴。根据入口202的布置和取向原料可从任何方向进入等离子体并且可围绕等离子体360°进料。此外，原料可通过调整入口202的布置而在沿等离子体204的长度的特定位置处进入等离子体，在此具体温度已被测量且停留时间已被估算以提供所得材料的期望特性。

在一些实施方案中，可调整入口202相对于等离子体204的角度，使得原料可相对于等离子体204以任何角度注入。例如，可调整入口202，使得原料可相对于等离子体204的方向以约0度、约5度、约10度、约15度、约20度、约25度、约30度、约35度、约40度、约45度、约50度、约55度、约60度、约65度、约70度、约75度、约80度、约85度或约90度的角度或在任何前述值之间的角度注入等离子体中。

在一些实施方案中，下游注入方法的实施可使用下游旋流或骤冷。下游旋流是指可以在等离子体施加器下游引入的附加旋流分量，以保持粉末远离施加器205、反应室210和/或延伸管214的壁。

在一些实施方案中，微波等离子体装置的反应室210的长度可以是约1英尺、约2英尺、约3英尺、约4英尺、约5英尺、约6英尺、约7英尺、约8英尺、约9英尺、约10英尺、约11英尺、约12英尺、约13英尺、约14英尺、约15英尺、约16英尺、约17英尺、约18英尺、约19英尺、约20英尺、约21英尺、约22英尺、约23英尺、约24英尺、约25英尺、约26英尺、约27英尺、约28英尺、约29英尺或约30英尺，或前述值之间的任何值。

在一些实施方案中，等离子体204的长度，其可通过调整各种处理条件和设备配置而延长，可以为约1英尺、约2英尺、约3英尺、约4英尺、约5英尺、约6英尺、约7英尺、约8英尺、约9英尺、约10英尺、约11英尺、约12英尺、约13英尺、约14英尺、约15英尺、约16英尺、约17英尺、约18英尺、约19英尺、约20英尺、约21英尺、约22英尺、约23英尺、约24英尺、约25英尺、约26英尺、约27英尺、约28英尺、约29英尺或约30英尺，或前述值之间的任何值。

在一些实施方案中，原料颗粒暴露于微波产生的等离子体中的4,000-8,000K的均匀(或不均匀)温度分布(profile)。在一些实施方案中，所述颗粒暴露于微波产生的等离子体中的3,000-8,000K的均匀温度分布。在所述等离子体炬内，所述原料颗粒被快速加热。

在将陶瓷先驱体材料处理成PDC并然后以足以防止原子达到结晶态的速率冷却之后，可以制备无定形材料。所述冷却速率可以通过在高速气流中在0.05-2秒的处理内骤冷所述材料来实现。高速气流温度可以在-200℃至40℃的范围内。有利地，已经发现改变冷却处理参数会改变最终颗粒的特征微结构。更高的冷却速率可以导致更精细的结构。通过高冷却速率可以获得非平衡的结构。

冷却处理参数包括但不限于冷却气体流速、球化颗粒在热区中的停留时间和冷却气体的组成或构成。例如，通过增加冷却气体的流速，可以增加颗粒的冷却速率或骤冷速率。冷却气体流过离开等离子体的颗粒越快，骤冷速率就越高，从而允许形成并保持某些期望的微结构，例如游离硅纳米域。也可调节颗粒在等离子体热区内的停留时间，以提供对所得微结构的控制。停留时间可通过调节热区内的操作变量例如颗粒注入速率和流速(和条件，例如层流或湍流)来调节。设备改变也可用于调节停留时间。例如，可通过改变热区的横截面积来调节停留时间。

可以改变或控制的另一个冷却处理参数是冷却气体的组成。某些冷却气体比其它冷却气体更导热。例如，氦气被认为是高导热性气体。冷却气体的热导率越高，颗粒能够被冷却/骤冷的速度越快。通过控制冷却气体的组成(例如，控制高导热性气体与较低导热性气体的量或比率)，可控制冷却速率。

可以根据原料初始条件优化工艺参数以获得所需的材料和微结构。对于每种原料特性，可以针对特定结果优化工艺参数。US专利公开2018/0297122、US8748785B2和US9932673B2公开了可以在所公开的工艺中使用、特别是用于微波等离子体处理的某些处理技术。因此，US专利公开2018/0297122、US8748785B2和US9932673B2通过引用以其整体和技术并入本文。

在一些实施方案中，根据本公开的实施方案，顶部进料微波等离子体炬可用于材料的制备。在一些实施方案中，可将陶瓷先驱体聚合物材料引入微波等离子体炬中，其维持微波产生的等离子体。在一个示例实施方案中，夹带气体流和鞘流、旋流或工作线性流(向下箭头)可通过入口注入，以在经由微波辐射源点燃等离子体之前在等离子体炬内产生流动条件。将陶瓷先驱体聚合物材料沿轴向引入微波等离子体炬中，在此它们被气流夹带，该气流将所述材料导向等离子体的热区。所述气流可以由周期表的稀有气体族组成，例如氦气、氖气、氩气等。

在微波产生的等离子体中，陶瓷先驱体聚合物材料经历物理和/或化学转变以形成PDC。入口可用于引入工艺气体以沿着轴线夹带和加速颗粒朝向等离子体。在一些实施方案中，通过使用通过等离子体炬内的环形间隙生成的芯层流或湍流气体流的夹带来加速原料颗粒。第二层流可通过第二环形间隙生成，以为介电炬(dielectric torch)的内壁提供层流护套，以保护其不因来自等离子体的热辐射而熔化。在示例性实施方案中，所述层流将颗粒沿着尽可能靠近上述轴线的路径导向等离子体，将它们暴露于等离子体。在一些实施方案中，存在合适的流动条件以保持颗粒不到达等离子体炬的内壁，在内壁处可发生等离子体附着。颗粒被所述气流引导向微波等离子体，在此每个颗粒都经历热处理。

可以调节微波产生的等离子体的各种参数以及颗粒参数，以实现期望的结果。这些参数可包括微波功率、进料材料尺寸、进料材料引入速率、气体流速、等离子体温度、停留时间、等离子体气体组成和冷却速率。如上所述，在该特定实施方案中，气流是层流；然而，在替代性实施方案中，可使用旋流或湍流将进料材料导向等离子体。

图3A-B示出了示例性微波等离子体炬，其包括侧进料料斗，从而允许下游进料。因此，在该实施方式中，原料在微波等离子体炬施加器之后注入，以在微波等离子体炬的“羽流”或“排气”中处理。因此，微波等离子体炬的等离子体在等离子体炬的出口端处接合以允许原料的下游进料，与顶部进料(或上游进料)相反。这种下游进料可有利地延长所述炬的寿命，因为热区被无限地保护免受任何材料沉积在热区内衬的壁上。此外，其允许通过温度水平和停留时间的精确选择而在适合粉末的优化熔化的温度下在下游接合等离子体羽流。例如，能够使用微波功率、气流和包含等离子体羽流的骤冷容器中的压力来调节羽流的长度。

通常，下游进料可利用两个主要硬件配置来建立稳定的等离子体羽流，其为：环形炬，例如在美国专利公开2018/0297122中描述，其全部内容在此通过引用并入，或在US8748785B2和US9932673B2中描述的旋流炬，其全部内容在此通过引用并入。在等离子体炬出口处与等离子体羽流紧密耦合的进料***用于轴对称地进料原料以保持工艺均匀性。

其它进料配置可包括围绕等离子体羽流的一个或若干个单独的进料喷嘴。原料可以从任何方向在某点处进入等离子体，并且可以从围绕等离子体360°的任何方向进料进入等离子体中的点。原料粉末可以在沿着等离子体羽流的长度的特定位置处进入等离子体，在该特定位置处已经测量了具体温度并且估算了停留时间以用于颗粒的充分熔化。熔化的颗粒离开等离子体进入密封的室，在此它们被骤冷然后被收集。

可将进料材料314引入微波等离子体施加器302中。在将进料材料314进料到微波等离子体施加器302、羽流和/或排气318中之前，料斗306可用于存储进料材料314。进料材料314可以以与等离子体施加器302的纵向方向成任何角度注入。5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度。在一些实施方案中，原料可以以大于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度的角度注入。在一些实施方案中，原料可以以小于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50或55度的角度注入。在替代性实施方案中，原料可沿等离子体炬的纵向轴线注入。

微波辐射可以通过波导304引入等离子体施加器302。将进料材料314进料到等离子体室310中并布置为与等离子体施加器302产生的等离子体接触。当与等离子体、等离子体羽流或等离子体排气318接触时，原料经历物理和/或化学转变。当仍然在等离子体室310中时，原料314在被收集到容器312中之前冷却并固化。或者，原料314可通过出口312离开等离子体室310，并在等离子体室外冷却和固化。在一些实施方案中，可以使用骤冷室，其可以使用或可以不使用正压。虽然与图2分开描述，但是图3A和3B的实施方案被理解为使用与图2的实施方案类似的特征和条件。

在微波等离子体工艺中，原料可夹带在惰性和/或其它气体环境中，并注入到微波等离子体、微波等离子体羽流或微波等离子体排气中。一旦注入热等离子体(或等离子体羽流或排气)中，原料可经历物理和/或化学转变(例如球化)。在处理之后，所得材料可以释放到填充有惰性气体的室中，并且被引导到其在此进行存储的气密密封的筒中。这种工艺可以在大气压下、在部分真空中或在略高于大气压的压力下实施。

在替代性实施方案中，所述工艺可以在低、中或高真空环境中实施。所述工艺可以间歇或连续地运行，其中当筒装满处理的材料时更换筒。通过控制工艺参数，例如冷却气体流速、停留时间、等离子体条件、冷却气体组成，可以控制各种材料特性。

也可调节颗粒在等离子体热区内的停留时间，以提供对所得材料特性的控制。也就是说，颗粒暴露于等离子体的时间长度决定了原料颗粒的熔化程度(即，与颗粒的最内部分或核相比，颗粒的表面熔化)。停留时间可通过调节热区内的操作变量例如颗粒注入速率和流速(以及条件，例如层流或湍流)来调节。设备改变也可用于调节停留时间。例如，可以通过改变等离子体的横截面积、通过例如延长等离子体来调节停留时间。在一些实施方案中，延长等离子体可以包括将延伸管结合到微波等离子体装置中。

另外的实施方案

在前述说明书中，已经参考本发明的具体实施方案描述了本发明。然而，明显的是在不脱离本发明的更宽的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应认为是说明性的而非限制性的。

实际上，尽管已经在某些实施方案和实施例的情形中公开了本发明，但本领域技术人员将理解，本发明超出具体公开的实施方案延伸至本发明的其它替代实施方案和/或用途及其明显的修改和等同方式。另外，虽然已经详细显示和描述了本发明的实施方案的若干变型，但是基于本公开，在本发明的范围内的其它修改对于本领域技术人员将是显而易见的。还考虑可以进行所述实施方案的特定特征和方面的各种组合或子组合，并且仍然落入本发明的范围内。应当理解，所公开的实施方案的各种特征和方面可以彼此组合或替换，以形成所公开的发明的实施方案的变化模式。本文中公开的任何方法不需要以所述顺序执行。因此，本文公开的本发明的范围意在不应被上述特定实施方案限制。

将理解，本公开的***和方法各自具有若干创新方面，其中没有单独一个独自负责本文公开的期望的属性或是本文公开的期望的属性所需的。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合都旨在落入本公开的范围内。

在本说明书中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方案中组合实施。反过来，在单个实施方案的上下文中描述的各种特征也可以分开地在多个实施方案中实施或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中被除去，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。对于每个和所有实施方案，没有单个特征或特征组是必需的或不可以缺少的。

还将理解，除非另外特别说明，或者在所使用的上下文中另外理解，本文使用的条件语言，例如“能够”、“可(could)”、“可能(might)”、“可以”、“例如”等，通常旨在表达某些实施方案包括某些特征、要素和/或步骤，而其它实施方案不包括某些特征、要素和/或步骤。因此，这样的条件语言一般不旨在暗示特征、要素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施方案是必需的，或者一个或多个实施方案必然包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、要素和/或步骤是否包括在任何特定实施方案中或者是否要在任何特定实施方案中执行的逻辑。术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义的，并且以开放式的方式包含性地使用，并且不排除另外的要素、特征、动作、操作等。另外，术语“或”以其包含性的意义(而不是其排他性的意义)使用，使得当例如用于连接要素列表时，术语“或”是指该列表中的一个、一些或所有要素。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“该”应解释为是指“一个或多个”或“至少一个”。类似地，虽然在附图中可以以特定顺序描绘操作，但应当认识到，这样的操作不需要以所示的特定顺序或以相继次序执行，或者执行所有说明的操作，以实现期望的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例性过程。然而，可以将未描绘的其它操作结合在示意性说明的示例方法和过程中。例如，可以在任何说明的操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个另外的操作。另外，在其它实施方案中，操作可以被重新安排或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方案中的各种***部件的分离不应被理解为在所有实施方案中都需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序部件和***通常可以一起集成在单个软件产品中或包装到多个软件产品中。另外，其它实施方案也在所附权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中叙述的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。

此外，虽然本文所述的方法和设备可以易于作出各种修改和替代形式，但是其具体例子已在附图中显示并且在本文中详细描述。然而，应理解，本发明不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本发明将涵盖落入所描述的各种实施方式和所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等效方式和替代方案。此外，本文公开的关于一个实施方式或实施方案的任何特定特征、方面、方法、性质、特性、质量、属性、要素等可以用于本文阐述的所有其它实施方式或实施方案中。本文公开的任何方法不需要以所述顺序执行。本文公开的方法可以包括由实施者采取的某些动作；然而，所述方法还可以包括这些动作的任何第三方指令，明确地或者暗示地。本文公开的范围还涵盖任何和所有重叠、子范围及其组合。例如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”、“在……之间”等的语言包括所提及的数。前面有例如“约”或“大约”术语的数包括所提及的数，并且应当基于情况来解释(例如，在情况下尽合理可能地准确，例如±5％、±10％、±15％等)。例如，“约3.5mm”包括“3.5mm”。前面有例如“基本上”术语的短语包括所叙述的短语，并且应当基于情况来解释(例如，在情况下尽合理可能地)。例如，“基本上恒定”包括“恒定”。除非另有说明，否则所有测量都在包括温度和压力的标准条件下进行。

如本文所使用，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。作为例子，“A、B或C中的至少一个”旨在涵盖：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A、B和C。除非另有明确说明，否则结合语言例如短语“X、Y和Z中的至少一个”如通常使用的情形理解为表达项目、术语等可以是X、Y或Z中的至少一个。因此，这样的结合语言通常不旨在暗示某些实施方案需要X中的至少一个、Y中的至少一个、以及Z中的至少一个各自存在。本文提供的标题(如果有的话)仅是为了方便，而不一定影响本文公开的设备和方法的范围或含义。

因此，权利要求不旨在局限于本文所示的实施方案，而是应被赋予与本文公开的本公开、原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种碳氧化硅(SiOC)陶瓷材料，其包含：

硅金属，其中所述硅金属是在陶瓷先驱体聚合物的热处理过程中通过所述陶瓷先驱体聚合物的碳热还原形成，其中所述热处理用于形成所述SiOC陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述SiOC陶瓷材料包含无定形微结构。

3.根据权利要求1所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述SiOC陶瓷材料包含SiOC的晶胞结构，其中所述硅金属与所述晶胞结构集成在一起。

4.根据权利要求3所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述晶胞结构包含开放晶胞晶体结构。

5.根据权利要求3所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述晶胞结构包含封闭晶胞晶体结构。

6.根据权利要求1所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中在微结构SiOC陶瓷材料中SiOC和所述硅金属的相是连续的。

7.根据权利要求1所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述SiOC陶瓷材料包含多个硅金属的纳米域。

8.根据权利要求7所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述多个硅金属的纳米域的每一个的直径小于或等于0nm。

9.根据权利要求1所述的碳氧化硅陶瓷材料，其中所述热处理包含微波等离子体处理。

10.一种制造聚合物衍生的陶瓷的方法，所述方法包括：

将一种或多种陶瓷先驱体聚合物引入微波等离子体炬中；以及

在所述微波等离子体炬中加热所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物以形成聚合物衍生的陶瓷。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述聚合物衍生的陶瓷包括碳氧化硅(SiOC)陶瓷材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述SiOC陶瓷材料包含硅金属。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在加热所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物的过程中通过所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物的原位碳热还原形成所述硅金属。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述SiOC陶瓷材料包含多个硅金属的纳米域。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个硅金属的纳米域中的每一个的直径小于或等于50nm。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物包含苯基硅氧烷、甲基苯基硅氧烷、甲基硅氧烷或其组合。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物包含交联的苯基硅氧烷。

18.根据权利要求10所述的方法，其中在将所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物引入微波等离子体炬中的过程中，所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物是固体。

19.根据权利要求10所述的方法，其中所述微波等离子体包括微波等离子体炬的等离子体羽流或排气。

20.根据权利要求10所述的方法，其中所述一种或多种陶瓷先驱体聚合物被加热1ms至25s的时间。