CN100439288C

CN100439288C - Sialon准一维纳米材料及其制备方法

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Publication number: CN100439288C
Application number: CNB2006101462802A
Authority: CN
Inventors: 温广武; 覃春林
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: CN100999412A

Abstract

本发明涉及一种Sialon准一维纳米材料，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油37%～55%、乙二胺43%～60%，Al粉2%～10%；其制备方法包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油、乙二胺、Al粉，混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料。其介电性能优异，机械强度高，耐高温性能和导热性好，制备工艺简单、制作成本低，产率高，结晶均匀性好。

Description

Sialon准一维纳米材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料及其制备方法，具体地说是一种Sialon准一维纳米材料及其制备方法。

背景技术

纳米科学技术被认为是21世纪头等重要的科学技术。纳米科学与技术将改变几乎每一种人造物质的特性，材料性能的重大改进以及制造方式重大变化，将在新世纪引起一场新的工业革命。1991年Iijima发现了纳米碳管，其独特的结构特性与理化性能在世界范围内掀起了研究热潮。之后，人们制备出了MoS₂、WS₂、BN、GaN纳米管和Si、Ag、CdTe、GaN纳米线等新的一维纳米材料，发展了一系列新的一维纳米材料的制备方法。由于一维纳米材料具有特殊的传输特性，光学特性以及表面效应，使得一维纳米材料在场效应晶体管、单电子晶体管、二极管、场发射、逻辑电路、激光器、传感器方面有广泛的应用。一维纳米材料可以根据其空心或实心以及形貌不同可以分为以下几类：纳米管、纳米棒或纳米线、纳米带、纳米同轴电缆以及纳米核壳结构。

我们知道Sialon陶瓷材料具有高强、高硬、高韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、低热膨胀、自润滑、导热性好、电绝缘等一系列优良性能，在航空、航天、电子、冶金、机械、石油、化工、能源、交通、电器等领域获得了广泛的应用，是一类重要的结构材料、高温材料和介电绝缘材料。目前与Sialon结构类似的准一维氮化硅纳米材料的合成方法主要有：(1)碳纳米管限域生长法：以碳纳米管为膜板，以硅的氧化物或卤化物为硅源，在大量的氮化气氛中合成Si₃N₄纳米线，此方法需要先合成碳纳米管，工艺较复杂；(2)电弧放电法、激光烧蚀法：以电弧放电或激光烧蚀技术在高温下合成Si₃N₄纳米线，此方法的不足是产率低，杂质较多；(3)化学气相沉积(CVD)法：此法一般是以硅粉、氧化硅粉或含硅卤素在高温或等离子体环境中形成硅蒸汽与氮化气氛发生反应，在一定的冷却基板通过杂质形核按VLS机制生长氮化硅纳米材料，此法产率较低，也存在一定的杂质；(4)水热合成法；(5)碳热还原法。此外，还有中国专利2004100441585公布了一种用有机聚合物制备的Si-Al-O-N-C陶瓷材料及其制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种介电性能优异，机械强度高，耐高温性能和导热性好，制备工艺简单、制作成本低，产率高，结晶均匀性好的Sialon准一维纳米材料及其制备方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种Sialon准一维纳米材料，其特征在于它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％；所述的Sialon准一维纳米材料制备方法包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，将含氢硅油、乙二胺和Al粉混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料。

本发明Sialon准一维纳米材料的制备方法，其特征在于在步骤a、b之间还包括a`步骤：其将a步骤所得产物在管式气氛保护炉中，在温度200～1000℃之间，通入氮气，氮气流量200～400ml/min，升温速率控制在1～10℃/min的条件下反应8～12小时，对Si-Al-O-N-C有机聚合物进行裂解，得到Si-Al-O-N-C粉末。

本发明Sialon准一维纳米材料包括Sialon纳米线和Sialon纳米带。Sialon纳米线直径在50～150nm，长度达数百μm，Sialon纳米带宽度在50～500nm，厚度在10～100nm，长度达数百μm，为100～1000μm。本发明使用聚合物制备Sialon准一维纳米材料介电性能优异，机械强度高，耐高温性能和导热性好，制备工艺简单、制作成本低，产率高，结晶均匀性好

本发明的特点是：其一，本方法引入了使用含有还原性胺基的先驱体粉末在高压反应炉中制备纳米材料这一关键环节；其二，该工艺不使用催化剂，可大量制备纯净纳米材料，原材料使用工业用含氢硅油、乙二胺和铝粉，成本低；其三，可以通过控制反应温度、反应时间和气体分压来实现纳米材料的成分、尺寸和结构的调控。其应用廉价的有机含氢硅油聚合物先驱体在气氛气压烧结炉中制备。

本发明Sialon准一维纳米材料介电性能优异，机械强度高，耐高温性能和导热性好，制备工艺简单、制作成本低，产率高，结晶均匀性好。

附图说明

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明一种Sialon准一维纳米材料，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％。

上述Sialon准一维纳米材料制备方法包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，将含氢硅油、乙二胺和Al粉混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料。

或上述Sialon准一维纳米材料制备方法包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，将含氢硅油、乙二胺和Al粉混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；a`.将聚合物在管式气氛保护炉中，在温度200～1000℃之间，通入氮气，氮气流量200～400ml/min，升温速率控制在1～10℃/min的条件下反应8～12小时，对Si-Al-O-N-C有机聚合物进行裂解，得到Si-Al-O-N-C粉末；b.所制备的Si-Al-O-N-C粉末置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛气压烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米结构。

实施例1：

Sialon准一维纳米材料，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油55％、乙二胺43％，Al粉2％。Sialon准一维纳米材料的制备方法，a.将含氢硅油198ml、乙二胺155ml和Al粉6克混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃，使用溶剂为四氢呋喃500ml和正己烷250ml，在常温下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；a.将聚合物在管式气氛保护炉中对Si-Al-O-N-C有机聚合物进行裂解，通入氮气，氮气流量为200～400ml/min，温度工艺为在室温～750℃的温度范围内，升温速度为5℃/min，在750℃保温1小时，在750～1000℃的温度范围内，升温速度为5℃/min，在1000℃保温1小时，得到Si-Al-O-N-C粉末；b.将所制备的Si-Al-O-N-C粉末置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力压烧结炉中，通入氮气压力为1.2Mpa，控制温度在1400℃的条件下保温2小时，在石墨坩埚中结晶形成厚度为40nm，，宽度为200nm，长数百μm的Sialon纳米带。

纳米带与其他的一维纳米材料结构上存在较大区别，其截面不同于纳米管和纳米线那样接近圆型，而是呈现窄长方形，其厚度可达几到几十纳米，宽度达几十到几百纳米，而长度可达几毫米。纳米带作为一种新颖的一维纳米结构，具有结晶完好、无缺陷等优点。导体纳米带是用于研究电子输运中限域效应的较好的模型，半导体纳米带可以作为纳米传感器的核心部分。Sialon纳米带具有其他纳米带不具备的独特性能和应用前景，比如非常高的机械强度和耐高温性能，可用于纳米复合材料增强方面；由于Sialon优异的介电性能、导热性和机械强度Sialon纳米带可用于构筑单纳米电子器件的电路基板及其电介质，以及用于超级电容器的绝缘材料等。可见Sialon纳米带可能成为未来构筑纳米元器件不可缺少的重要材料之一。

实施例2：

一种Sialon准一维纳米材料及其的制备方法，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油37％、乙二胺60％，Al粉3％。步骤为：a.将含氢硅油169ml、乙二胺274ml和Al粉15克混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃，使用溶剂为四氢呋喃500ml和正己烷250ml，在常温下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物。其他步骤和工艺条件与具体实施例1相同。在石墨坩埚中结晶形成厚度为50nm，，宽度为300nm，长数百μm的Sialon纳米带。

实施例3：

一种Sialon准一维纳米材料及其的制备方法，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油45％、乙二胺45％，Al粉10％。步骤为：a.将含氢硅油68ml、乙二胺70ml和Al粉15克混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃，使用溶剂为四氢呋喃500ml和正己烷250ml，在常温下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在1.5MPa，控制温度在1200℃的条件下保温3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料，为厚度为80nm，，宽度为4000nm，长数百μm的Sialon纳米带。

实施例4：

一种Sialon准一维纳米材料及其的制备方法，写明它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油49％、乙二胺49％，Al粉2％。a步骤为：将含氢硅油104ml、乙二胺102ml和Al粉5克混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃，使用溶剂为四氢呋喃500ml和正己烷250ml，在常温下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.8MPa，控制温度在1500℃的条件下保温2小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料，得到厚度为30nm，，宽度为150nm，长数百μm的Sialon纳米带。

实施例5：

一种Sialon准一维纳米材料及其的制备方法，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油55％、乙二胺43％，Al粉2％。本实施例与具体实施1的步骤a、a`相同，b步骤为：将所制备的Si-Al-O-N-C粉末置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力压烧结炉中，通入氮气压力为1.2Mpa，控制温度在1350℃的条件下保温2小时。在石墨坩埚中结晶形成得到厚度为50nm，，宽度为4000nm，长数百μm的Sialon纳米带。

实施例6：

一种Sialon准一维纳米材料及其的制备方法，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油55％、乙二胺43％，Al粉2％。本实施例与具体实施1的步骤a、a`相同，不同的是，b步骤为：将所制备的Si-Al-O-N-C粉末置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力压烧结炉中，通入氮气压力为1.2Mpa，控制温度在1300℃的条件下保温2小时。在石墨坩埚中结晶形成直径为90nm，长数百μm的Sialon纳米线。

实施例7

Sialon准一维纳米材料，它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油45％、乙二胺48％、Al粉7％。Sialon准一维纳米材料的制备方法，a.将含氢硅油96ml、乙二胺103ml和Al粉15克混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃，使用溶剂为四氢呋喃500ml和正己烷250ml，在常温下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；a`.将聚合物在管式气氛保护炉中对Si-Al-O-N-C有机聚合物进行裂解，通入氮气，氮气流量为200～400ml/min，温度工艺为在室温～750℃的温度范围内，升温速度为5℃/min，在750℃保温1小时，在750～1000℃的温度范围内，升温速度为5℃/min，在1000℃保温1小时，得到Si-Al-O-N-C粉末；b.将所制备的Si-Al-O-N-C粉末置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力压烧结炉中，通入氮气压力为1.2Mpa，控制温度在1400℃的条件下保温2小时，在石墨坩埚中结晶形成厚度为50nm，，宽度为280nm，长数百μm的Sialon纳米带。

Claims

1.一种Sialon准一维纳米材料，其特征在于它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，；所述的Sialon准一维纳米材料制备方法包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，将含氢硅油、乙二胺和Al粉混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料。

2.根据权利要求1所述Sialon准一维纳米材料，其特征是：它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油45～50％、乙二胺45％～50％、Al粉7～10％。

3.根据权利要求1所述Sialon准一维纳米材料，其特征是：它的原料由以下组分按照重量百分比组成：含氢硅油45％、乙二胺48％、Al粉7％。

4.一种Sialon准一维纳米材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，将含氢硅油、乙二胺和Al粉混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；b.将上一步骤所得产物置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛压力烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米材料。

5.一种Sialon准一维纳米材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：a.按照重量百分比取含氢硅油37％～55％、乙二胺43％～60％，Al粉2％～10％，将含氢硅油、乙二胺和Al粉混合，在反应釜中进行反应，反应温度控制在0～100℃的条件下不断搅拌8～12小时，反应形成Si-Al-O-N-C聚合物；a将聚合物在管式气氛保护炉中，在温度200～1000℃之间，通入氮气，氮气流量200～400ml/min，升温速率控制在1～10℃/min的条件下反应8～12小时，对Si-Al-O-N-C有机聚合物进行裂解，得到Si-Al-O-N-C粉末；b.所制备的Si-Al-O-N-C粉末置于石墨坩埚中，石墨坩埚放入气氛气压烧结炉中，通入氮气，炉内氮气压力控制在0.5～1.5MPa，控制温度在1200～1500℃的条件下保温2～3小时，在石墨坩埚中结晶形成Sialon准一维纳米结构。