CN102849738B

CN102849738B - 一种纳米碳化硅晶须的制备方法

Info

Publication number: CN102849738B
Application number: CN201210353376.1A
Authority: CN
Inventors: 苏晓磊; 贾艳; 王俊勃; 贺辛亥; 徐洁; 付翀; 刘松涛
Original assignee: Xian Polytechnic University
Current assignee: Xian Polytechnic University
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN102849738A

Abstract

本发明公开了一种纳米碳化硅晶须的制备方法，主要以硅粉、炭黑、铁粉和聚四氟乙烯为原料，按一定比例混合形成反应剂，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须。本发明的制备方法制备纳米碳化硅晶须的转化率高，并且工艺简单，生产成本低；本发明的制备方法制备出的碳化硅晶须具有低密度、高熔点、高强度、高模量、热膨胀系数小及耐腐蚀、耐磨等特点，可广泛应用于机械、电子、航空航天及能源等领域。

Description

一种纳米碳化硅晶须的制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料制备领域，具体涉及一种碳化硅晶须的制备方法。

背景技术

碳化硅晶须具有低密度、高熔点、高强度、高模量、热膨胀系数小及耐腐蚀、耐磨等优良性能，可作为金属基、陶瓷基、树脂基等复合材料的增韧填充物，被广泛应用于机械、电子、航空航天及能源等领域。

在现有的制备方法中，发明专利《一种纳米碳化硅晶须的制备方法》（申请号：99110846.9，公开号：1281910，公开日：2001-01-31）将净碳质溶胶和净硅溶胶按碳和硅摩尔比3~8：1于室温下搅拌混合24小时，制得二元净炭质-硅溶胶，在100~150℃干燥4~6小时得元干凝胶，或进行超临界干燥20~180分钟，得到二元凝胶，然后进行碳热还原反应，最后脱碳，脱去SiO₂，制得纯纳米碳化硅晶须。此方法存在如下缺陷：1、原料纯度和成本高；2、生产中使用的高温炉结构复杂，造价高；3、生产工艺复杂、合成难度大等缺点，导致不能大规模生产碳化硅晶须。因此，迫切需要寻找一种低成本、无污染、工艺简单、快速制备纳米碳化硅晶须的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米碳化硅晶须的制备方法，解决了现有制备方法生产工艺复杂以及合成难度大的问题。

本发明所采取的技术方案是：一种纳米碳化硅晶须的制备方法，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须。

具体包括以下步骤：

步骤1，将铁粉、硅粉和炭黑混合形成混合原料；

步骤2，将聚四氟乙烯与步骤1的混合原料充分混合形成反应剂；

步骤3，将步骤2形成的反应剂置于球磨罐中，并在球磨机上研磨24~36小时，得到混合浆体；

步骤4，将步骤3得到的混合浆体装于玻璃皿中并放入烘箱中，以90~150℃的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料；

步骤5，将步骤（4）得到的混合物料在研钵中研磨成粉体，将该粉体放入坩埚中，并将坩埚放入自蔓延燃烧合成反应釜的冷区，将反应釜抽真空后充入氮气至适当压力，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区加热升温至一定温度，将位于冷区的坩埚推至热区引发自蔓延燃烧合成反应，将反应釜热区保温一定时间后，停止通入氮气，冷却至室温后得到反应产物，将该反应产物除碳，除硅，得到纳米碳化硅晶须。

其中，步骤1中铁粉、硅粉和炭黑的摩尔比为0.01~0.1:0.99~0.9:1。

其中，步骤1中所述铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30μm；所述硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40μm；所述炭黑的纯度高于99%，平均粒径小于10μm。

其中，步骤2中聚四氟乙烯与步骤1的混合原料的质量比为0.15~0.3:1。

其中，步骤2中所述四氟乙烯的纯度高于99.9%，平均粒径小于10μm。

其中，步骤3中所述球磨罐为聚四氟乙烯球磨罐，所述球磨机为行星球磨机，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂。

其中，步骤5中所述研钵为玛瑙研钵，所述坩埚为石墨坩埚。

其中，步骤5中氮气压力控制在0.1~1Mpa，自蔓延燃烧合成反应釜的热区温度升至1100~1250℃，反应釜热区的保温时间为15~60min。

本发明的有益效果是：本发明以硅粉和炭黑为原料，以聚四氟乙烯和铁粉为催化剂，通过整体预热的燃烧合成反应制备碳化硅晶须，主要通过控制硅粉、炭黑、聚四氟乙烯和铁粉的比例和各工艺参数，可以制备高纯度的纳米碳化硅晶须，简化了生产工艺，降低了成本。

附图说明

图1是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的XRD图;

图2是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行具体说明。

一种纳米碳化硅晶须的制备方法，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须。

按照以下步骤具体实施：

步骤1，按照铁粉：硅粉：炭黑为0.01~0.1:0.99~0.9:1的摩尔比混合形成混合原料，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30μm；硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40μm；炭黑的纯度高于99%，平均粒径小于10μm；

步骤2，按照聚四氟乙烯与步骤1的混合原料的质量比为0.15~0.3:1充分混合形成反应剂，其中四氟乙烯的纯度高于99.9%，平均粒径小于10μm；

步骤3，将步骤（2）配置的反应剂置于聚四氟乙烯的球磨罐中，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂，在行星球磨机上研磨24~36小时，得到混合浆体；

步骤5，将步骤（4）得到的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将该粉体放入石墨坩埚中，并将石墨坩埚放入自蔓延燃烧合成反应釜的冷区，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压力控制在0.1~1MPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区加热升温至1100~1250℃，然后将自蔓延燃烧合成反应釜冷区中的石墨坩埚迅速推入热区，反应15~60min后，停止通入氮气，冷却至室温后得到反应产物，将该反应产物除碳，除硅，得到纳米碳化硅晶须。

实施例1

将铁粉、硅粉和炭黑以0.01:0.99:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟乙烯与混合原料的质量比为0.15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30μm；硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40μm；炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10μm，四氟乙烯原料的纯度高于99.9%，平均粒径小于10μm。

将反应剂置于聚四氟乙烯的球磨罐中，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂，在行星球磨机上球磨24小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在90℃将物料烘干，得到干燥的混合物料。

将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压力控制在0.1MPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1200℃，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应15min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化硅晶须。

实施例2

将铁粉、硅粉和炭黑以0.05:0.95:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟乙烯与混合原料的质量比为0.15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30μm；硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40μm；炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10μm，四氟乙烯原料的纯度高于99.9%，平均粒径小于10μm。

将反应剂置于聚四氟乙烯的球磨罐中，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂，在行星球磨机上球磨36小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在90℃将物料烘干，得到干燥的混合物料。

将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压力控制在0.1MPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1100℃，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应60min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化硅晶须。

实施例3

将铁粉、硅粉和炭黑以0.1:0.9:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟乙烯与混合原料的质量比为0.15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30μm；硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40μm；炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10μm，四氟乙烯原料的纯度高于99.9%，平均粒径小于10μm。

将反应剂置于聚四氟乙烯的球磨罐中，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂，在行星球磨机上球磨36小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在150℃将物料烘干，得到干燥的混合物料。

将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压力控制在1MPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1200℃，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应60min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化硅晶须。

实施例4

将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压力控制在0.1MPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1100℃，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应30min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化硅晶须。

图1是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的XRD图，从图中可以看出，本制备方法制备出的碳化硅晶须物相中均为β-SiC相，未发现其他物相，纯度较高，可达99%以上。图2是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的SEM图，从图中可以看出，晶须形状呈弯曲状，直径约在3～30nm范围，长度在1～30μm范围内，长径比大，晶须表面光滑；本发明的制备方法制备纳米碳化硅晶须的转化率可达95%以上。

本发明以硅粉和炭黑为原料，以聚四氟乙烯和铁粉为催化剂，通过整体预热的燃烧合成反应制备碳化硅晶须，主要通过控制硅粉、炭黑、聚四氟乙烯和铁粉的比例和各工艺参数，可以制备高纯度的纳米碳化硅晶须，简化了生产工艺，降低了成本。

Claims

1.一种纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须；

具体包括以下步骤：

步骤1，将铁粉、硅粉和炭黑混合形成混合原料；

步骤3，将步骤2形成的反应剂置于球磨罐中，并在球磨机上研磨24～36小时，得到混合浆体；

步骤4，将步骤3得到的混合浆体装于玻璃皿中并放入烘箱中，以90～150℃的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料；

2.根据权利要求1所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤1中所述铁粉、硅粉和炭黑的摩尔比为0.01～0.1:0.99～0.9:1。

3.根据权利要求1或2所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤1中所述铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30μm；所述硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40μm；所述炭黑的纯度高于99%，平均粒径小于10μm。

4.根据权利要求1所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤2中所述聚四氟乙烯与步骤1的混合原料的质量比为0.15～0.3:1。

5.根据权利要求1或4所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤2中所述四氟乙烯的纯度高于99.9%，平均粒径小于10μm。

6.根据权利要求1所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤3中所述球磨罐为聚四氟乙烯球磨罐，所述球磨机为行星球磨机，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂。

7.根据权利要求1所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤5中所述研钵为玛瑙研钵，所述坩埚为石墨坩埚。

8.根据权利要求1所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤5中氮气压力控制在0.1～1Mpa，自蔓延燃烧合成反应釜的热区温度升至1100～1250℃，反应釜热区的保温时间为15～60min。