CN102172501A - 一种具有核壳结构的碳包覆碳化硅纳米粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有核壳结构的碳包覆碳化硅纳米粉末的制备方法，本发明利用石墨电弧放电方法，在碳化硅表面包裹一层碳层，制备了一种以碳化硅为核、碳为壳的核壳结构纳米粉末；通过在碳化硅表面包裹碳层，在不破坏其本身原有的化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好的基础上，提高碳化硅的表面活性，通过后续的表面处理可以在碳包碳化硅粉体表面接枝官能团或大分子，扩大该填料在聚合物基复合材料中的应用程度，并能维持聚合物基体原有的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有核壳结构的碳包覆碳化硅纳米粉末的制备方法。
背景技术
碳化硅是一种硬度介于金刚石和刚玉之间的工业材料，化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途。
近年来随着电子产业和LED产业的迅猛发展，人们对导热材料的要求有了进一步的提高，质轻、易加工成型，抗冲击，耐化学腐蚀，耐热疲劳、优良的电绝缘性能和化学稳定性等都是人们对导热材料的新要求。以塑料为基体的导热复合材料在此背景下发展迅猛，由于高分子材料是热的不良导体，构建本征型导热复合材料的条件极为苛刻，现今制备聚合物基导热复合材料的主要方法是通过在塑料基体中添加导热填料制备的。
纳米碳化硅的热导率远高于其他粒径的同类材料，具有良好的电绝缘性，是制备导热绝缘复合材料重要的导热填料之一。但由于纳米颗粒具有小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等特性，造成大量纳米颗粒在加工过程中团聚在一起，不能很好的分散，使得优异的性能难以展现。同时由于碳化硅本身化学性质稳定，与基体材料的相容性仍需提高，这些缺陷极大的限制了纳米碳化硅材料在聚合物基导热复合材料中的应用。
发明内容
本发明的目的在于在碳化硅表面包裹一层均匀的碳层，克服和解决现有技术制得的碳化硅纳米粉末容易团聚、表面活性低的缺点和问题。研究制备一种能使纳米碳化硅粒子不易团聚，表面具有一定活性的碳包碳化硅纳米粒子。此粒子通过扫描电镜观测后可以发现，团聚现象明显减少。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
（1） 使用电压25～36V、电流50～150A的低压大电流石墨电极放电装置；
（2） 制作复合阳极：将30~70wt%的碳化硅纳米粉体与70~30wt%的石墨粉混合制作阳极，纯石墨棒制作阴极；
（3） 惰性气体下放电：将反应腔抽真空，充入80~800mmHg的氩气（Ar）或氦气（He）或氖气（Ne），并维持该气压不变，在此条件下放电；
（4） 制备碳包裹的碳化硅纳米粉体：放电反应完成后，收集腔体四周的粉体即为碳包裹碳化硅纳米粉体，平均粒径为30～200nm；
（5） 将制备的碳包裹碳化硅纳米粉体在二甲苯中回流2～3小时，并过滤，除去残存的碳纳米管、碳。
步骤1）中所述的碳化硅纳米粉体可为绿碳化硅纳米粉体或黑碳化硅纳米粉体。
步骤1）中所述的碳化硅纳米粉体的晶形为α-碳化硅或β-碳化硅。
步骤1）中所述的石墨粉为天然微晶石墨、鳞片石墨或人工石墨。
步骤1）中所述的石墨粉的外观形状为片层状或球状，粒度为4～60μm。
本发明的有益效果是：
通过在碳化硅表面包裹碳层，在不破坏其本身原有的化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好的基础上，提高碳化硅的表面活性，通过后续的表面处理可以在碳包碳化硅粉体表面接枝官能团或大分子，扩大该填料在聚合物基复合材料中的应用程度，并能维持聚合物基体原有的力学性能。
附图说明
图1本发明的碳包覆碳化硅纳米粉体的制备方法示意图。
图2本发明的碳包覆碳化硅纳米粉体的透射电镜照片。
图3本发明的碳包覆碳化硅纳米粉体的XRD图。
图4碳化硅纳米粉体的SEM图。
图5本发明的碳包覆碳化硅纳米粉体的SEM图。
图2 是碳包覆碳化硅纳米粉体的透射电镜（TEM）图，中间黑色的核部分是碳化硅，外层浅色部分是包裹的碳，是一种明显的核壳结构的纳米粉体。图3是碳包裹碳化硅纳米粉体的XRD 图，图中仅仅出现了碳化硅（SiC）和碳（C）的衍射峰，说明此物质只有SiC和C两种物质组成，结合TEM图片，可认为纳米粉体是核壳结构的碳包裹碳化硅纳米粉体。图4是碳化硅纳米粉体的扫描电镜图，由图可以看出，原粉体团聚严重。图5是碳包裹碳化硅纳米粉体的扫描电镜图，对比图4可以看出，制备的纳米粉体的分散效果明显优于原碳化硅粉体。通过实施例的实施，成功地在碳化硅纳米粉末的表面包覆了一层碳层，形成了一种新的具有核壳结构的纳米粉末，相比未处理的原粉末，纳米粒子团聚现象减弱，而且由于表面碳层的存在，提高了碳化硅的反应活性，为后续进一步在碳包碳化硅粉体表面接枝官能团或大分子提供了前驱体。
具体实施方式
实施例1
选用电压25V、电流50A的低压大电流石墨电极放电装置。将30 wt %的绿碳化硅纳米粉体与70 wt %的人工石墨粉混合制作阳极，纯石墨棒制作阴极。将反应腔抽真空，充入80mmHg的氦气（He），并维持该气压不变，在此条件下放电。放电反应完成后，收集腔体四周的粉体即为碳包裹碳化硅纳米粉体，将其在二甲苯中回流2-3小时，并过滤，除去残存的碳、碳纳米管等杂质，制得粒子的平均粒径30nm，包覆效果较好。
实施例2
选用电压30V、电流110A的低压大电流石墨电极放电装置。将55 wt %的黑碳化硅纳米粉体与45 wt %的天然微晶石墨粉混合制作阳极，纯石墨棒制作阴极。将反应腔抽真空，充入400mmHg的氩气（Ar），并维持该气压不变，在此条件下放电。放电反应完成后，收集腔体四周的粉体即为碳包裹碳化硅纳米粉体，将其在二甲苯中回流2-3小时，并过滤，除去残存的碳、碳纳米管等杂质，制得粒子的平均粒径90nm，包覆效果最好。
实施例3
选用电压36V、电流150A的低压大电流石墨电极放电装置。将70 wt %的黑碳化硅纳米粉体与30 wt %的石墨粉混合制作阳极，纯石墨棒制作阴极。将反应腔抽真空，充入800mmHg的氖气（Ne），并维持该气压不变，在此条件下放电。放电反应完成后，收集腔体四周的粉体即为碳包裹碳化硅纳米粉体，将其在二甲苯中回流2-3小时，并过滤，除去残存的碳、碳纳米管等杂质，制得粒子的平均粒径170nm，包覆效果较好。
Claims (5)
1.一种具有核壳结构的碳包覆碳化硅纳米粉末的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）使用电压25～36V、电流50～150A的低压大电流石墨电极放电装置；
（2）制作复合阳极：将30~70wt%的碳化硅纳米粉体与70~30wt%的石墨粉混合制作阳极，纯石墨棒制作阴极；
（3）惰性气体下放电：将反应腔抽真空，充入80~800mmHg的氩气或氦气或氖气，并维持该气压不变，在此条件下放电；
（4）制备碳包裹的碳化硅纳米粉体：放电反应完成后，收集腔体四周的粉体即为碳包裹碳化硅纳米粉体，平均粒径为30～200nm；
（5）将制备的碳包裹碳化硅纳米粉体在二甲苯中回流2～3小时，并过滤，除去残存的碳纳米管、碳。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的碳化硅纳米粉体为绿碳化硅纳米粉体或黑碳化硅纳米粉体。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的碳化硅纳米粉体的晶形为α-碳化硅或β-碳化硅。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的石墨粉为天然微晶石墨、鳞片石墨或人工石墨。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的石墨粉的外观形状为片层状或球状，粒度为4～60μm。
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