CN105733309A - 一种表面改性的SiC纳米线及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面改性的SiC纳米线及其制备方法与应用，所述方法为：将SiC纳米线放置到管式烧结炉或可以气氛保护的加热装置中，通入氧气和氮气混合气流，然后启动加热，由室温加热至700～1400℃，控制加热速率为5～20℃/min，保温时间为30～120min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC，外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，SiO2包覆层为非晶态，界面处的结合为原子尺度的紧密结合，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。本发明解决了现有碳化硅纳米线在使用过程中的活性低、难分散、易氧化、界面结合差等问题，具有制备工艺简单、节能环保、易控制、成本低、产率高的优点。

Description

一种表面改性的SiC纳米线及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种表面改性的一维纳米材料及制备方法与应用。
背景技术
近年来，SiC纳米线的研究工作备受瞩目。SiC纳米线因具有极其优异的力学性能和物理化学稳定性，被视为复合材料的理想增强体；同时，SiC纳米线又具有非常优异的光电性能，在航天航空、光电器件、生物医药等领域都拥有广泛的应用前景。所以，学者们针对SiC纳米线开展了大量研究工作，尤其是关于纳米线的制备与性能研究。
然而，纳米线（管）在增强树脂基复合材料时普遍存在难以分散、润湿性差、界面结合差等问题，往往无法有效发挥增强增韧的作用，甚至还会导致复合材料力学性能大幅下降。这也正是SiC纳米线在增强复合材料领域所面临的最大挑战之一。另外，SiC纳米线在高温条件下使用，容易被空气中的氧气氧化，降低碳化硅材料固有的耐高温特性。因此，若能将SiC表面改性，在SiC表面形成一层与SiC纳米线紧密结合的致密的SiO2保护层，那将会有效解决纳米线的表面界面和抗氧化问题，为SiC纳米线在复合材料、高温环境及作为功能材料等领域的应用提供保障。
所以，对SiC纳米进行表面改性，是解决其应用瓶颈问题的突破口和有效办法，也是促进SiC纳米线实际应用的关键科学技术，具有重要的科学价值和实用价值。但是，有关SiC纳米的表面改性工作尚未见报道。
发明内容
为了解决现有碳化硅纳米线在使用过程中的表面活性低、界面结合差、难分散、易氧化等问题，本发明提供了一种表面改性的SiC纳米线及其制备方法与应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种表面改性的SiC纳米线，其为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC，外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中SiO2包覆层为非晶态，界面处的结合为原子尺度的紧密结合，根据改性前SiC纳米线的直径尺度，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。
一种上述表面改性的SiC纳米线的制备方法，包括如下步骤：
将SiC纳米线放置到管式烧结炉或可以气氛保护的加热装置中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为5～500ml/min、氮气流量为5～1000ml/min，然后启动加热，由室温加热至700～1400℃，控制加热速率为5～20℃/min，保温时间为30～120min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。
本发明中的“表面改性的SiC纳米线”可以但并不限于如下应用：（1）易于分散、与基体材料形成良好的界面结合，可以广泛用作金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料的增强体，具有更好的增强增韧效果。（2）生物医用材料的支架、载体和联接材料。（3）光电纳米元器件，纳米场发射晶体管、激光器。（4）在高温、高频、高功率和辐照等恶劣或极端工作环境下使用。
根据SiC+2O2=SiO2+CO2的化学反应方程式可知，SiC纳米线在设定温度下可以与O2发生反应，本发明通过控制温度和气氛条件，让O2分子将SiC纳米线表面的SiC分子“一层一层”（LayerbyLayer）氧化——生成致密的SiO2。因为SiO2是因纳米线上SiC分子中的C由O原子取代（替换）而产生，所以只要通过控制反应温度和氧气供给量即可在SiC纳米线外表形成一层致密的SiO2保护层（一维纳米SiCSiO2核壳结构材料），从而实现对SiC纳米线的表面改性。同时，只要简单的操作，控制温度、氧气供给量和反应时间，就能实现对SiO2外壳层的控制。
本发明具有如下优点：
1、本发明可以在SiC纳米线表面形成一层致密的SiO2防护层，改性后的SiC纳米线具有优良的表面均匀性、界面结合效果优异，在航空航天、增强复合材料、生物医用、半导体器件以及抗氧化防腐蚀等领域拥有广阔的应用前景。
2、本发明具有制备工艺简单、节能环保、易控制、成本低、产率高的优点。
附图说明
图1是未经处理的原始SiC纳米线的SEM（扫描电子显微镜）照片；
图2是SiC纳米线表面改性处理后典型的TEM（透射电子显微镜）照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供的对SiC纳米进行表面改性方法是通过以下步骤实现的：
将SiC纳米线放置到管式烧结炉或可以气氛保护的加热装置中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为5～500ml/min、氮气流量为5～1000ml/min，然后启动加热，由室温加热至700～1400℃，控制加热速率为5～20℃/min，保温时间为30～120min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。经过表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC、外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中SiO2包覆层为非晶态，界面处的结合为原子尺度的紧密结合。根据改性前SiC纳米线的直径尺度，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。
由图1可知，未经处理的原始SiC纳米线直径均匀。由图2可知，SiC经过表面改性处理后的SiO2保护层均匀致密、且与SiC纳米线界面结合完好。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，SiO2层厚度为10~200nm。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，SiO2层厚度为10~100nm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一～三不同的是，控制氧气流量为15～200ml/min、氮气流量为20～100ml/min。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一～四不同的是，加热温度为800~1200℃，加热速率为5～10℃/min，保温时间为30～60min。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一～五不同的是，加热温度为800~1200℃，保温时间为30min。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一～六不同的是，控制氧气流量为15~100ml/min、氮气流量为20～30ml/min，以10℃/min的升温速率加热到900～1150℃，保温30min。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一～七不同的是，控制氧气流量为15~30ml/min、氮气流量为20ml/min，以10℃/min的升温速率加热到1000～1050℃。
具体实施方式九：本实施方式提供的对SiC纳米进行表面改性方法是通过以下步骤实现的：
将SiC纳米线放置到管式烧结炉中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为20ml/min、氮气流量为20ml/min，然后启动加热，由室温加热至1000℃，控制加热速率为10℃/min，保温时间为30min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。经过表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC、外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中界面处的结合为原子尺度的紧密结合，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为50nm。

Claims (10)

1.一种表面改性的SiC纳米线，其特征在于所述表面改性的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC，外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中SiO2包覆层为非晶态，界面处的结合为原子尺度的紧密结合，SiO2包覆层厚度控制为2nm~500nm。
2.根据权利要求1所述的表面改性的SiC纳米线，其特征在于所述SiO2包覆层厚度控制为10~200nm或10~100nm。
3.一种权利要求1-2任一权利要求所述表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
将SiC纳米线放置到管式烧结炉或可以气氛保护的加热装置中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为5～500ml/min、氮气流量为5～1000ml/min，然后启动加热，由室温加热至700～1400℃，控制加热速率为5～20℃/min，保温时间为30～120min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。
4.根据权利要求3所述的表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述氧气流量为15～200ml/min、氮气流量为20～100ml/min。
5.根据权利要求3所述的表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述加热温度为800~1200℃，加热速率为5～10℃/min，保温时间为30～60min。
6.根据权利要求3所述的表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述加热温度为800~1200℃，保温时间为30min。
7.根据权利要求3所述的表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述氧气流量为15~100ml/min、氮气流量为20～30ml/min，以10℃/min的升温速率加热到900～1150℃，保温30min。
8.根据权利要求3所述的表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述氧气流量为15~30ml/min、氮气流量为20ml/min，以10℃/min的升温速率加热到1000～1050℃。
9.根据权利要求3所述的表面改性的SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述氧气流量为20ml/min、氮气流量为20ml/min，以10℃/min的升温速率加热到1000℃，保温30min。
10.一种权利要求1-2任一权利要求所述表面改性的SiC纳米线可应用于以下方面：（1）金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料的增强体；（2）生物医用材料的支架、载体和联接材料；（3）光电纳米元器件、纳米场发射晶体管、激光器；（4）在高温、高频、高功率和辐照恶劣或极端工作环境下。
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