CN101319399A

CN101319399A - 一种伴有串状结构的碳化硅纳米线及其制备方法

Info

Publication number: CN101319399A
Application number: CNA2008100648108A
Authority: CN
Inventors: 温广武; 张晓东; 黄小萧; 钟博; 白宏伟; 张涛
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: CN101319399B

Abstract

一种伴有串状结构的碳化硅纳米线及其制备方法，本发明涉及一种准一维纳米结构及其制备方法。伴有串状结构的碳化硅纳米线：立方相碳化硅的单晶体。方法：将非晶态的碳/二氧化硅纳米复合粉体放入坩埚内并置于气氛烧结炉中，抽真空后向炉内充入氩气使初始气压达0.1～2.0MPa，然后以5～30℃/min的升温速度加热至1500～1800℃保温0.5～6小时，随炉冷却到室温，即得到伴有串状结构的碳化硅纳米线，中心线或中心杆的直径分布在50～100纳米范围内，中心线或中心杆上串状结构的碳化硅纳米线的直径分布在100～500纳米范围内。本发明制备工艺简单、成本低、制备周期短，且能够实现对产物结构和形貌的控制。

Description

一种伴有串状结构的碳化硅纳米线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种准一维纳米结构及其制备方法。

背景技术

自1991年日本学者(Lijima)发现碳纳米管以来，一维纳米材料便备受关注。一维纳米材料或准一维纳米材料，按照形貌可以分为纳米线、纳米管、纳米带、纳米棒等，按照材料可以分为金属、半导体、高分子等。在众多一维或准一维纳米材料中，碳化硅(SiC)以其优异的机械性能、半导体性能、物理化学稳定性、高温稳定性等而受到越来越多的关注。

伴有串状结构的碳化硅(SiC)纳米线是一种结构新颖的准一维纳米材料，在化工催化、微电子、光电子、多孔探测器、纳米元器件以及复合材料增强等领域均有很大应用前景。近年来，各国学者相继研究出制备一维或准一维碳化硅(SiC)纳米材料的各种方法，碳化硅(SiC)纳米棒、纳米晶须、纳米线、纳米管等则成为纳米科学研究领域的一个热点。然而，截至当前有关“伴有串状结构的碳化硅(SiC)纳米线”的报道甚少，仅在国际著名期刊PHYSICA E上有一篇论文进行过相应的研究(详见PHYSICA E：39(2007)262-266)，上述公开的制备伴有串状结构的碳化硅(SiC)纳米线主要依靠化学气相沉积法，这种方法的制备工艺较为复杂、成本高、周期长，而且产物结构和形貌难以控制，极大地限制了伴有串状结构SiC纳米线的发展。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备工艺较为复杂、成本高、周期长、产物结构和形貌难以控制的问题，提供一种伴有串状结构的碳化硅纳米线及其制备方法。

本发明的伴有串状结构的碳化硅纳米线为立方碳化硅的单晶结构，中心杆的直径为50～100纳米，中心杆的外圈上有榆钱串状结构的碳化硅，榆钱串状结构的碳化硅的直径在100～500纳米，串状结构的碳化硅纳米线的最长可达4毫米。本发明的串状结构的碳化硅纳米线的制备方法是通过以下步骤制备：一、按照硅与碳的摩尔比为1∶2～5的比例配制硅溶胶和蔗糖的混合溶胶，二、在室温为15～30℃条件下使用磁力搅拌器搅拌2～4小时，配制成均匀的溶胶；三、将装有溶胶的烧杯放入水浴加热器内，将温度控制在90～100℃进行凝胶处理5±0.1小时，得到凝胶；四、将步骤三得到的凝胶放入坩埚中，并置于管式加热炉中，以950～1100ml/min的流量向管式加热炉中通入氮气，管式加热炉以8～12℃/min的加热速度加热到750～850℃，并保持温度1小时后在氮气的保护下自然冷却至室温，得到非晶态的含碳二氧化硅纳米复合粉体材料；五、将步骤四得到的纳米复合粉体放入坩埚内，并置于气氛烧结炉中抽真空，使气氛烧结炉的真空度至1Pa以下；六、向气氛烧结炉内充入氩气，使炉内气体压强达到0.1～2.0MPa；七、气氛烧结炉以5～30℃/min的升温速度进行加热，在1500～1800℃的温度下烧结0.5～6小时；八、冷却到室温，即得到伴有串状结构的碳化硅纳米线。

本发明的优点是：根据含碳二氧化硅纳米复合粉体在气氛烧结炉内烧结工艺的不同可得到的碳化硅(SiC)纳米线的串状结构和形貌也不同，因此本发明制备工艺简单、成本低、制备周期短，且能够实现对产物结构和形貌的控制，同时降低了原料成本，对于串状结构碳化硅(SiC)纳米线的应用具有重大的推动作用。

附图说明

图1是具体实施方式一伴有串状结构的碳化硅纳米线的透射电镜照片；图2是对应于图1串状结构的选区电子衍射，表明伴有串状结构的碳化硅纳米线的结构为立方碳化硅单晶体；图3是具体实施方式二和具体实施方式八纳米复合粉体在坩埚内加热，初始氩气气氛压强为0.1MPa，且在1600℃的温度下烧结保温0.5小时得到的串状结构的碳化硅纳米线形貌图；图4是具体实施方式十纳米复合粉体在坩埚内加热，初始氩气气氛压强为0.5MPa，且在1700℃的温度下烧结保温0.5小时得到的串状结构的碳化硅纳米线形貌图，图5是具体实施方式六和具体实施方式九纳米复合粉体在坩埚内加热，初始氩气气氛压强为0.5MPa，且在1600℃的温度下烧结保温4小时得到的串状结构的碳化硅纳米线形貌图；图6是具体实施方式二纳米复合粉体在坩埚内加热，初始氩气气氛压强为0.5MPa，且在1800℃的温度下烧结保温0.5小时得到的串状结构的碳化硅纳米线形貌图；图7是伴有串状结构的碳化硅纳米线的低倍扫描照片(可见长度达4毫米以上)。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的伴有串状结构的碳化硅纳米线为立方碳化硅的单晶结构，中心杆的直径为50～100纳米，中心杆的外圈上有榆钱串状结构的碳化硅，榆钱串状结构的碳化硅的直径在100～500纳米，串状结构的碳化硅纳米线的的最长可达4毫米，见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7。

具体实施方式二：本实施方式的伴有串状结构的碳化硅纳米线通过以下步骤制备：一、按照硅与碳的摩尔比为1∶2～5的比例配制硅溶胶和蔗糖的混合溶胶，二、在室温为15～30℃条件下使用磁力搅拌器搅拌2～4小时，配制成均匀的溶胶；三、将装有溶胶的烧杯放入水浴加热器内，将温度控制在90～100℃进行凝胶处理5±0.1小时，得到白色或略呈淡黄色透明的凝胶；四、将步骤三得到的凝胶放入坩埚中，并置于管式加热炉中，以950～1100ml/min的流量向管式加热炉中通入氮气，管式加热炉以8～12℃/min的加热速度加热到750～850℃，并保持温度1小时后在氮气的保护下自然冷却至室温，得到非晶态的含碳二氧化硅纳米复合粉体材料；五、将步骤四得到的纳米复合粉体放入坩埚内，并置于气氛烧结炉中抽真空，使气氛烧结炉的真空度至1Pa以下；六、向气氛烧结炉内充入氩气，使炉内气体压强达到0.1～2.0MPa；七、气氛烧结炉以5～30℃/min的升温速度进行加热，在1500～1800℃的温度下烧结0.5～6小时；八、冷却到室温，即得到伴有串状结构的碳化硅纳米线。

本实施方式制备的纳米结构(即，伴有串状结构的碳化硅纳米线)为立方相碳化硅的单晶体(如图2)，中心杆的直径为50～100纳米，中心杆的外圈上伴有的榆钱串状结构直径为100～500纳米。随着温度升高或保温时间延长，纳米线上的串状结构随之增多，愈加密集。一般，中心杆的直径越小，对应的串直径也就越小；反之，中心杆的直径越大，对应的串直径也越大。对中心杆及外围串的影响因素主要有如下：(1)对中心杆的影响，初始气压越小时产物的中心杆直径也越小；(2)烧结工艺对中心杆的影响不大，但对外围的串有较大影响——烧结温度越高和保温时间越长都会使串的直径增大。外围串的直径通常为中心杆直径的2～5倍。如中心杆直径为50纳米时其外围的串直径为100～120纳米，这种中心杆直径和外围串的直径都较小的情况，多出现初始氩气的压强较低在0.1～0.2MPa，1600℃烧结并保温半小时。若初始压强增大0.5MPa或更高时，中心杆的直径也相应增大(多分布在50-150纳米)，外围串的直径也增大(多为100-500纳米)。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤一中按照硅与碳的摩尔比为1∶3的比例配制硅溶胶和蔗糖的混合溶胶。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤二中在室温为20℃条件下使用磁力搅拌器搅拌4小时。在20℃的温度下磁力搅拌4小时后得到的混合溶胶均匀透明。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤四中将凝胶放入坩埚中并置于管式加热炉中，以1000ml/min的流量向管式加热炉中通入氮气，同时管式加热炉以10℃/min的加热速度加热到800℃。上述范围值内得到非晶态的含碳二氧化硅纳米复合粉体材料具有均匀性好、反应活性高的优点。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤六中向气氛烧结炉内充入氩气，使炉内气体初始压强达到1.0MPa。如图5所示，这个压强数值得到的串状结构非常厚密。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤七中气氛烧结炉以10℃/min的升温速度进行加热。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤七中初始氩气气氛压强为0.1MPa，气氛烧结炉在1600℃的温度下烧结0.5小时。如图3所示，上述温度和时间得到的串状结构比较稀疏，串与串之间具有较大间隙。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤七中初始氩气气氛压强为1.0MPa，气氛烧结炉在1600℃的温度下烧结4小时。如图5所示，上述温度和时间得到的串状结构非常密，串与串之间基本没有间隙。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤七中初始氩气气氛压强为0.5MPa，气氛烧结炉在1700℃的温度下烧结0.5小时。如图4所示，上述温度和时间得到的串状结构比较厚密，串与串之间基本没有间隙。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于伴有串状结构的碳化硅纳米线的中心杆直径为50纳米，外圈的串直径为200纳米，如图1。可以用作光电子领域、纳米元器件、复合材料的增强体，具有优异的增强增韧效果。其它组成与具体实施方式一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于伴有串状结构的碳化硅纳米线的中心杆直径为100纳米、外围的串直径为300纳米，如图3和图5。可用于工业催化、纳米元器件，特别是用于复杂元器件的加工制备。其它组成与具体实施方式一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于伴有串状结构的碳化硅纳米线的长度为4毫米，如图7。可以用于光电子、纳米元器件的制备，特别是满足特殊纳米元器件对长度的要求。其它组成与具体实施方式一相同。

Claims

1、一种伴有串状结构的碳化硅纳米线，其特征在于伴有串状结构的碳化硅纳米线为立方碳化硅的单晶结构，中心杆的直径为50～100纳米，中心杆的外圈上有榆钱串状结构的碳化硅，榆钱串状结构的碳化硅的直径在100～500纳米，串状结构的碳化硅纳米线的最长可达4毫米。

2、根据权利要求1所述的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于伴有串状结构的碳化硅纳米线的中心杆外圈串的直径为500纳米。

3、根据权利要求1所述的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于伴有串状结构的碳化硅纳米线的中心杆外圈串的直径为200纳米。

4、根据权利要求2或3所述的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于伴有串状结构的碳化硅纳米线的长度为4毫米。

5、一种伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于伴有串状结构的碳化硅纳米线通过以下步骤制备：一、按照硅与碳的摩尔比为1∶2～5的比例配制硅溶胶和蔗糖的混合溶胶，二、在室温为15～30℃条件下使用磁力搅拌器搅拌2～4小时，配制成均匀的溶胶；三、将装有溶胶的烧杯放入水浴加热器内，将温度控制在90～100℃进行凝胶处理5±0.1小时，得到凝胶；四、将步骤三得到的凝胶放入坩埚中，并置于管式加热炉中，以950～1100ml/min的流量向管式加热炉中通入氮气，管式加热炉以8～12℃/min的加热速度加热到750～850℃，并保持温度1小时后在氮气的保护下自然冷却至室温，得到非晶态的含碳二氧化硅纳米复合粉体材料；五、将步骤四得到的纳米复合粉体放入坩埚内，并置于气氛烧结炉中抽真空，使气氛烧结炉的真空度至1Pa以下；六、向气氛烧结炉内充入氩气，使炉内气体压强达到0.1～2.0MPa；七、气氛烧结炉以5～30℃/min的升温速度进行加热，在1500～1800℃的温度下烧结0.5～6小时；八、冷却到室温，即得到伴有串状结构的碳化硅纳米线。

6、根据权利要求5所述的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于步骤六中向气氛烧结炉内充入氩气，使炉内气体初始压强达到1.0MPa。

7、根据权利要求5所述的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于步骤七中气氛烧结炉以10℃/min的升温速度进行加热。

8、根据权利要求7所述的伴有串状结构的碳化硅纳米线的制备方法，其特征在于步骤七中气氛烧结炉在1700℃的温度下烧结0.5小时。