[發明專利]一種制備碳化硅納米纖維的方法

有效

• 申請號: 201310104789.0
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN103145129A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 秦明禮;儲愛民;曲選輝;曹知勤;吳昊陽
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C01B31/36
• 分類號: C01B31/36;B82Y30/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

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技術領域

本發明屬于陶瓷材料制備技術領域，特別涉及一種制備碳化硅納米纖維的方法。

背景技術

碳化硅（SiC）具有許多優良性能，如良好的機械強度、化學穩定性、較高的導熱和導電性能等，在陶瓷、金屬復合材料、耐磨材料以及催化等方面有著廣泛的應用。而一維碳化硅納米材料則以其獨特的光、電及機械等物理性能引起各國研究者的極大興趣。作為重要的功能材料，一維碳化硅納米材料在高溫、高頻、大功率的半導體器件以及納米尺度的電子及光電子領域具有巨大的潛在應用價值。此外，由于它具有非常高的強度和韌性，還可廣泛用于陶瓷、金屬及聚合物基體復合材料的增強劑。制備一維碳化硅納米材料的方法有化學氣相沉積法、溶膠-凝膠碳熱還原法、碳納米管模板法、弧光放電法、激光燒蝕法等。目前，研究者們已應用這些方法成功制備了各種形貌的一維碳化硅納米材料，如納米線、納米帶、納米電纜、納米棒等，其性能和可能的應用研究也在不斷的開展。在這些制備方法中，碳熱還原法是一個較為簡便的方法，與其他方法相比，該方法制備的碳化硅納米纖維純度高，分散性好，形貌、直徑可控；碳熱還原法適宜規模化生產，已在生產中得到了廣泛應用。傳統碳熱還原法通常采用有機硅源作為原料，通過溶膠-凝膠碳熱還原制備碳化硅納米纖維。由于溶膠-凝膠法制備反應前驅物生產周期長，操作工藝復雜；另外，采用有機硅源成本高。因此，該方法有待進一步改善。

發明內容

本發明目的在于提供一種碳熱還原法制備碳化硅納米纖維的新方法，解決傳統溶膠-凝膠碳熱還原法以有機硅源為原料引起的反應時間長、操作工藝復雜和成本高等問題。

一種制備碳化硅納米纖維的方法，其特征在于通過改進原料混合方法和原料組成，方便快捷的得到形貌和尺寸可控以及高反應活性的均勻混合前驅物，縮短反應周期，降低制備成本，使前驅物在較低溫度條件下通過碳熱還原反應合成形貌和尺寸可控、高純度和分散性較好的碳化硅納米纖維。

本發明是通過以下步驟實現的：

1．原料及配比：所采用的硅源為硅溶膠；碳源為葡萄糖；添加劑為尿素、硝酸、聚丙烯酰胺（PAM）。硅源和碳源按照摩爾比Si：C＝1：（4～12）的配比；硝酸（N）和尿素（U）按照摩爾比N：U＝1：（0.5～2）的配比；PAM與硅溶膠按照質量比（0.5～3）：1的配比。

2．前驅物的制備：首先將硅溶膠、葡萄糖、尿素、硝酸、PAM溶于去離子水中，得到均勻混合溶液，再將混合溶液在200～400℃溫度下加熱，加熱速率為3~10℃/min，溶液發生反應后得到前驅物。在前驅物的制備過程中，通過調節溶液的加熱速率以及初始溶液中PAM、硝酸和尿素的量，得到不同形貌和尺寸的前驅物。

3．前驅物的碳熱還原反應。將步驟2得到的不同形貌和尺寸前驅物在1300～1500℃的流動氬氣氣氛中碳熱還原反應2~8h，氬氣流量為0.5～2L/min，升溫速率為5~20℃/min。碳熱還原過程中，通過將不同形貌和尺寸的前驅物合理搭配反應溫度、氣體流量和升溫速率，得到不同形貌和尺寸的碳熱還原產物。還原產物在650℃于空氣中煅燒2h去除殘碳后，得到高純度和分散性較好的碳化硅納米纖維。

本發明前驅物中硅源和碳源粒度細小、混合均勻，反應活性好，能降低碳熱還原反應溫度，提高反應速率，制備出分散性能良好的碳化硅納米纖維；原材料來源廣泛，價格低廉，生產成本低，產率高，制備的碳化硅納米纖維性能穩定，形貌和尺寸可控，生產工藝簡單、方便快捷，可實現大批量生產。

附圖說明

圖1為添加不同PAM量制備的前驅物的SEM圖：?

由圖1可知，PAM用量為8克的前驅物為較疏松的塊狀物，顆粒表面出現了大量的纖維狀物體（圖1a）；PAM用量為12克的前驅物粉末顆粒表現為多孔的塊狀，顆粒的表面出現了大量的針狀物（圖1b）。

圖2為添加不同PAM量制備的SiC納米纖維的XRD圖譜：

由圖2可知，兩種煅燒產物均顯示了五個主要的衍射峰2θ=?35.6，41.2，60.2，72.1，75.5?°，分別對應β-SiC的（111），（200），（220），（311），（222）晶面（JCPDS?card?29-1129）。另外一個較低強度的衍射峰2θ=?33.6°（標為SF）是由于衍射峰的疊加誤差，XRD圖譜中未發現拱形峰，表明兩個產物為較純的SiC纖維。

圖3為添加不同PAM量制備的SiC納米纖維的FESEM圖：