生物質碳化硅陶瓷材料是一種以天然可再生資源（如椰殼、稻草殼、秸稈、木材、木基材料）為基礎，通過有機-無機轉變，獲得具有生物結構和獨特性能的新型陶瓷材料。

圖1 高溫炭化后的竹材具有很大的應用價值（圖片來源：慧聰網）

木材、木基材料等經過自然界千萬年演化，組成木材的絕大多數細胞和組織呈軸向排列而木射線呈徑向排列，因而具有很好的各向異性；此外，生物質材料的多孔結構又使得其具有很好的強重比和滲透性。通常，密度范圍在0.30-0.80g/cm³的木材適合制備SiC陶瓷。除了天然木材以外，一些木制復合材料和木材剩余物也可以用來制備SiC陶瓷，如中密度纖維板、刨花板、紙張、鋸末等材料。

目前，生物質陶瓷實驗室制備技術已經百花齊放，但是工業化生產鮮有報道，這主要是因為其規模化生產的成本優勢并不大，這一現象有望隨著國家環保監管形勢趨嚴、人民對于環境友好渴求不斷提高等外在條件下逐漸改變。此外，木制碳化硅陶瓷的生產與木材本身的性能緊密聯系，隨著基因改良或是木材培育等措施的進步，未來定向制備的特殊結構特征的生物質碳化硅陶瓷也擁有誘人前景。接下來，我們看看研究人員如何制取生物質碳化硅陶瓷。

如何制取生物質碳化硅陶瓷？

將碳素、多孔木材陶瓷轉化為碳化硅陶瓷，最簡單的就是液態硅滲入技術。以木炭為模板，向多孔碳素木材陶瓷中滲入液態硅，利用硅碳反應，原位生成碳化硅。液硅滲入技術對于硅的純度要求不高，木材特有的孔隙結構也利于液態硅的流動，因此生產的效率較高。

最早關于利用液態硅滲入技術制備生物質碳化硅陶瓷的記載是在1997年。德國紐倫堡—埃朗根大學的科學家成功地將樹木優良的力學性能與陶瓷的耐高溫性能結合起來、制成耐高溫的高強度木質陶瓷。這種木質陶瓷的力學性能甚至超過用其它復雜工藝制成的高性能陶瓷。

圖2 液態硅滲入技術制取木材碳化硅陶瓷

他們的制備流程如圖2所示，主要分為以下三個步驟：

1. 挑選出一段合適的木頭,把它放在70℃的真空爐里烘干,去除水分

2. 將烘干的木頭放在1800℃真空密閉的高溫爐里熱解

3. 將材料放入1600℃下盛有熔融的無機硅的爐子里

用這種方法生成的碳化硅陶瓷比用其它工藝制成的碳化硅陶瓷性能還要好。這種制造方法具有很強的靈活性,可以根據需要選用不同結構的木材制備不同性能的新材料。另外,熱解后滲入的可以是熔融的無機硅,也可以是熔融金屬。

此后，改良的制備方法層出不窮。例如，從木材陶瓷的有機-無機轉化和生物模板思想出發，借鑒碳化硅的反應燒結技術，如果能將構成木材陶瓷的碳質細胞壁替換為強度更高的陶瓷材料，同時保留木材原有的結構特征，從而制備出具有木材各向異性結構的致密或多孔仿生陶瓷，則預期性能會有更好的表現。蔡寧等對樺木進行實驗，研究結果表明國產樺木在經滲Si反應后胞管結構得到保留，被自由Si填充，碳質細胞壁則轉化為SiC，這種材料保留了木材的仿生結構和性能的顯著各向異性。

為了制備高純，細分散的碳化硅粉料，還可以采用氣體滲入法或者溶膠法。氣體滲入法是將SiO₂氣體滲入木材中，通過碳熱還原也能夠得到多孔碳化硅陶瓷。溶膠法制備碳化硅陶瓷相對于氣體滲入法而言，采用溶膠或者鹽溶液法，效率更高，工藝也更簡單，二氧化硅溶膠、硅酸乙酯等都被采用過。通過二氧化硅或硅酸乙酯的碳熱還原制備碳化硅多孔陶瓷，必然有一部分細胞壁（碳）被氧化為氣體排出，因此這種方法更適用于殘碳率高、細胞壁厚的硬質木。

生物質碳化硅陶瓷有哪些潛力？

陶瓷材料可以分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類型。生物質SiC陶瓷是結構陶瓷材料的一種，具有耐高溫、耐磨損、耐沖刷等一系列優越性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以承受的苛刻工作環境，同時其獨特的生物質材料結構特征使其具有許多其他優越性能。

圖3 木材制備的碳化硅水泥增強材料對于水泥顯示出很好的親和性（圖片來源：竹炭及SiC陶瓷材料的結構及性能研究）

郭向云課題組利用生物質顆粒制備的大孔碳化硅中原位合成出了具有微孔結構的ZSM-5分子篩，實現了微孔分子篩和大孔碳化硅的有機復合，得到了一種具有微孔和大孔結構的耐高溫催化材料。這種材料可望在使用分子篩的高溫催化反應中得到應用。

圖3 生物質碳化硅的大孔道(左)和組裝在孔道中的分子篩(右)

（圖片來源：Growth of ZSM-5 coating on biomorphic porous silicon carbide derived from durra）

此外，防彈裝甲是碳化硅陶瓷的優勢應用領域。

圖4 碳化硅防彈板（圖片來源：粉體圈）

總后勤部軍需裝備研究所的嚴自力等研究了SiC木制陶瓷在防彈裝甲領域的應用，SiC木質陶瓷與傳統反應燒結碳化硅陶瓷力學性能對比如表1所示。通過表1中數據可以發現，不同的木質材料制得的碳化硅陶瓷力學性能不同，隨著木制陶瓷的密度增加，其彈性模量、彎曲強度以及斷裂韌性都有提升。這啟示我們，可以提高木制陶瓷的密度，來提高其各方面力學性能。

表1 SiC木質陶瓷與傳統反應燒結碳化硅陶瓷力學性能對比

在對碳化硅木質陶瓷力學性能測試的基礎上，研究人員還對其防彈性能作了進一步的評價，并于兩種氧化鋁陶瓷進行了對比，得到表2。研究表明，當面密度都保持在36kg/m²左右時，由密度板和木粉/樹脂基復合材料制備的碳化硅木質陶瓷比氧化鋁陶瓷有更佳的防彈性能，其中又以采用木粉/樹脂基復合材料制備的碳化硅木質陶瓷防彈性能更佳。另外，采用木粉/樹脂基復合材料得到的碳化硅木質陶瓷能夠防住最高835m/s的彈速，并且面密度降低15％，對于防彈具有明顯減重優勢。

表2 防彈性能測試結果對比

總結

生物質陶瓷的出現為設計新型多孔陶瓷提供了一條極具潛力的途徑，作為新興的環境材料，生物質陶瓷的研究對減緩生態環境惡化和廢舊物料的重新利用，無疑會獲得顯著的社會效益和經濟效益。

生物質碳化硅陶瓷從其性能、制備到應用等各方面都別具一格，其獨特的仿生材料特征，充分利用了生物質材料本身的孔隙構造，因而具有多孔隙的特征，此外天然形成的孔隙結構使其具有合理的力學特征并利于制備，因此有效降低了生產成本。

此外，我們發現，生物質陶瓷作為多孔炭材料，其孔隙結構特征本質上由所利用木材孔隙特征決定，木材的孔隙結構進一步影響木基碳化硅陶瓷的構造及其各方面性能，因此，隨著基因工程或木材育種技術的不斷優化，作為一種環保與功能性相結合的新型碳材料，生物質碳化硅陶瓷還將大有可為。

參考文獻

竹炭及SiC陶瓷材料的結構及性能研究；中國林業研究院，張東升。

木材陶瓷化反應機理的研究；西安交通大學材料強度國家重點實驗室，蔡寧，馬榮，喬冠軍，金志浩。

SiC木質陶瓷及其在防彈中的應用；總后勤部軍需裝備研究所，嚴子力，馬天，張建春。

Growth of ZSM-5 coating on biomorphic porous silicon carbide derived from durra；Institute of Coal Chemistry Chinese Academy of sciences，YY Wang，GQ Jin，XY Guo。

By：火宣