[發(fā)明專利]一種應用硼酸提高碳化硅納米纖維產(chǎn)率的方法

有效

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• 申請日: 2009-06-22
• 公開（公告）號: CN101597058A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發(fā)明（設計）人: 溫廣武;張曉東;朱建東;黃小蕭;鐘博;張濤;于洪明
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: C01B31/36
• 分類號: C01B31/36;B82B3/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 榮 玲

技術領域

本發(fā)明涉及一種提高SiC納米纖維產(chǎn)率的方法。

背景技術

硼酸是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應用于科學研究和工業(yè)生產(chǎn)的諸多個領域。在玻璃工業(yè)中，硼酸可以改善玻璃制品的耐熱、透明性能，提高機械強度，縮短溶融時間；在搪瓷、陶瓷業(yè)中，硼酸可用于增強搪瓷產(chǎn)品的光澤和堅牢度；在醫(yī)藥工和冶金工業(yè)中，硼酸可用作添加劑、助溶劑；此外，硼酸還可以用作防腐劑、殺蟲劑和催化劑。雖然硼酸用途如此之多，但卻從未被應用到SiC納米纖維的生產(chǎn)中。

SiC納米纖維是一種優(yōu)異的一維納米材料，具有非常突出的力學性能、電學性能和光電性能，在增強復合材料、微納米元器件、納米催化劑等領域都有巨大的應用前景。但由于制備工藝所限，迄今為止仍沒有能夠制備出高產(chǎn)率納米纖維的方法，產(chǎn)率均為8％～9％。在SiC納米纖維的諸多制備方法，化學氣相沉積(CVD)是廣為采用的一種方法，但是該方法工藝復雜、產(chǎn)率較低，得到的SiC納米纖維一般只能達到幾十微米；碳熱還原反應是一種制備SiC納米線的有效方法，以SiO₂和碳(碳納米管、碳纖維、碳粉等)為原料可實現(xiàn)低成本合成SiC納米線，納米纖維長度可達毫米量級，但是納米線的產(chǎn)率較低。總之，現(xiàn)有的各種制備SiC納米線的方法都存在產(chǎn)率較低的問題，很難獲得高產(chǎn)率的SiC納米纖維，嚴重制約著SiC納米線的發(fā)展及應用。

發(fā)明內容

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有SiC納米纖維制備方法存在產(chǎn)率低的缺陷以及硼酸未被應用到SiC納米纖維生產(chǎn)領域的問題，而提供一種應用硼酸提高SiC納米線產(chǎn)率的方法。

本發(fā)明應用硼酸提高SiC納米線產(chǎn)率的方法按照如下步驟進行：一、將蔗糖與硅溶膠按照蔗糖中的碳摩爾數(shù)與硅溶膠中的硅摩爾數(shù)比例為4∶1的比例混合，再將硼酸加入到蔗糖與硅溶膠的混合液中，使硼酸在混合液體中的質量分數(shù)為0.5％～5％，然后以600～1000r/min的速度攪拌90～240min，再在80～120℃的條件下干燥4～8h，得到干凝膠；二、將步驟一得到的干凝膠置入管式爐中，通入氮氣并使氮氣的氣流為0.8～1.5L/min，以10℃/min的速率升溫，達到900℃時保溫1h，即得凝膠粉末；三、將步驟二得到的凝膠粉末利用行星球磨機以200r/min的速度球磨2～4h，將無水乙醇按照每克球磨粉末加入2mL乙醇的比例與球磨后的粉末混合成糊狀，再將混合后糊狀物涂抹至石墨坩堝底部，將坩堝放入氣氛燒結爐進行燒結，先抽真空至1Pa以下，再充入Ar至燒結爐內的氣壓為0.2～0.3MPa，然后以10℃/min的速率升溫至1550℃并保溫2～4h，最后自然冷卻至室溫；即得到呈羊毛氈狀的SiC納米線毛層。

本發(fā)明應用硼酸提高SiC納米線產(chǎn)率的方法的原理及優(yōu)點：

以非晶態(tài)的SiO₂/C納米復合粉體為原料，利用碳熱還原反應制備SiC納米纖維的主要反應如下，其中v代表氣態(tài)，s代表固態(tài)。

SiO₂(s)+C(s)＝SiO(v)+CO(v)????????(1)

SiO₂(s)+3C(s)＝SiC(s)+2CO(v)??????(2)

SiO(v)+3CO(v)＝SiC(s)+2CO₂(v)?????(3)

CO₂(v)+C(s)＝CO(v)????????????????(4)在上述反應中，反應(1)是生成氣相SiO和CO分子，只有SiO和CO的氣體濃度達到一定程度才能發(fā)生反應(3)，從而生成SiC納米纖維。然而，隨著反應的不斷進行，會出現(xiàn)兩個方面的問題，其一原料中的SiO₂和C顆粒的反應活性會降低，其二SiO₂和C顆粒之間的緊密接觸也會被破壞，所以反應(1)進行反應的程度相當有限。當反應過程中無法繼續(xù)提供氣相的SiO和CO，生成納米纖維的反應(3)則被終止。所以，碳熱還原反應制備碳化硅納米線的產(chǎn)率通常較低。本發(fā)明的方法在初始原料中添加硼酸，一方面可以抑制SiO₂析晶，有助于保持氧化硅的反應活性，促進反應(1)提供充足的SiO和CO分子；另一方面，引入適量的硼酸可以在高溫時產(chǎn)生液相，有助于固態(tài)SiO₂和納米碳顆粒相互接觸，對反應(1)有利，從而確保氣相中有足夠的SiO和CO——為生成納米纖維提供可能。只要反應(1)能不斷進行，氣相中就能有充足的SiO和CO，反應(3)便可一直進行生成碳化硅納米纖維，所以整個反應的納米線產(chǎn)率就可以得到大大提高。