CN107417300B - 一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法 - Google Patents

一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107417300B
CN107417300B CN201710642364.3A CN201710642364A CN107417300B CN 107417300 B CN107417300 B CN 107417300B CN 201710642364 A CN201710642364 A CN 201710642364A CN 107417300 B CN107417300 B CN 107417300B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic powder
powder
argon
carbon nanowires
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710642364.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107417300A (zh
Inventor
褚衍辉
陈鹏程
饶平根
敬思仪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201710642364.3A priority Critical patent/CN107417300B/zh
Publication of CN107417300A publication Critical patent/CN107417300A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107417300B publication Critical patent/CN107417300B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5001—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with carbon or carbonisable materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法。该合成方法采用化学气相沉积技术，将陶瓷粉体与Fe(NO3)3·9H2O加水混合均匀后，干燥、研磨制得前驱体粉末，再通过两次加热升温及保温处理，在陶瓷粉体表面合成碳纳米线。本发明合成方法工艺简单，成本低，合成的碳纳米线尺寸均一，直径为20~40 nm，且均匀地分布于陶瓷粉体表面。

Description

一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法
技术领域
本发明涉及碳纳米线制备技术领域，具体涉及一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法。
背景技术
碳纳米线是一种具有高长径比、高比强度的一维无机纳米材料。与碳纳米管不同的是，碳纳米线具有实心的结构，通常是无定型结构，石墨化程度较低。碳纳米线的导电导热性能优异，在复合材料中应用潜力巨大，可以改善材料的电学、热学及力学性能。特别当碳纳米线作为第二相加入到陶瓷基体中制备成复合材料时，有利于实现复合材料的结构化和功能化设计。
目前，化学气相沉积技术是制备碳纳米线的有效方法。Han Z J, Yick S,Levchenko I, et al. Controlled synthesis of a large fraction of metallicsingle-walled carbon nanotube and semiconducting carbon nanowire networks[J]. Nanoscale, 2011, 3(8): 3214-3220 中报道了一种催化化学气相沉积制备碳纳米线的方法。该方法使用电子束蒸发设备在SiO2/Si片上分别沉积了10 nm厚的氧化铝作为衬底和0.5 nm厚的Fe层作为催化剂。然后将负载催化剂的衬底置于50 mm直径的石英管，在氩气和氢气流量分别为200 sccm和500 sccm，管内气压为 380 Torr的条件下于1000℃预热30 min。然后在管内气压为760 Torr的条件下，以500 sccm的流量将甲烷引入石英管保温10-30 min。保温结束后关闭甲烷和氢气，仅通入氩气使石英管自然冷却。在SiO2/Si片上获得了直径为10-50 nm的碳纳米线。
然而上述方法存在以下不足：（1）需严格控制反应系统的压力，且需要特定的材料作为基底，难以实现碳纳米线的大量合成与广泛应用；（2）制备成本高，设备造价昂贵；（3）制备的碳纳米线尺寸分布均一性较差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，该方法采用化学气相沉积技术，将陶瓷粉体与Fe(NO3)3·9H2O加水混合均匀后，干燥、研磨制得前驱体粉末，再通过两次加热升温及保温处理，在陶瓷粉体表面合成碳纳米线。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，包括如下步骤：
（1）将陶瓷粉体与Fe(NO3)3·9H2O混合均匀，在搅拌条件下同时滴加去离子水，形成均匀的泥状混合物；
（2）将步骤（1）得到的泥状混合物置于干燥箱中干燥后，取出，研磨、过筛，得到前驱体粉末；
（3）将步骤（2）得到的前驱体粉末均匀平铺在瓷方舟内，再将瓷方舟置于管式炉中央，在氩气流动气氛下对管式炉进行加热；
（4）加热完成后，停止通入氩气，开始通入氢气，保温；
（5）保温结束后，停止通入氢气，开始通入氩气，对管式炉进行第二次加热；
（6）第二次加热结束后，停止通入氩气，开始通入甲烷和氢气，进行第二次保温；
（7）第二次保温结束后，停止通入甲烷和氢气，开始通入氩气，在氩气流动气氛下自然降至室温，在陶瓷粉体表面合成碳纳米线。
进一步地，步骤（1）中，所述陶瓷粉体材料包括氧化物陶瓷粉体或非氧化物陶瓷粉体，粉体粒径分布为0.5~0.7 μm。
更进一步地，所述氧化物陶瓷粉体包括氧化铝粉。
更进一步地，所述非氧化物陶瓷粉体包括硼化锆粉或碳化硅粉。
进一步地，步骤（1）中，所述Fe(NO3)3·9H2O按Fe的质量计，占陶瓷粉体的质量分数为4%~6%。
进一步地，步骤（1）中，所述去离子水的添加量与陶瓷粉体质量的比为10~12:50mL/g。
进一步地，步骤（1）中，所述泥状混合物的黏度控制为：在自重状态下不发生变形或发生微小变形的程度。
进一步地，步骤（2）中，所述干燥是在40~60℃干燥12~18h。
进一步地，步骤（2）中，所述过筛是过100~250目筛。
进一步地，步骤（3）中，所述加热是以5~10℃/min的速率加热至温度为600~650℃。
进一步地，步骤（4）中，所述氢气的流量为80~100 sccm。
进一步地，步骤（4）中，所述保温是在600~650℃保温40~60 min。
进一步地，步骤（5）中，所述第二次加热是以5~10℃/min的速率加热至温度为1040~1070℃。
进一步地，步骤（6）中，所述甲烷和氢气的流量分别为28~35 sccm和85~100 sccm。
进一步地，步骤（6）中，所述第二次保温是在1040~1070℃保温20~90 min。
进一步地，步骤（3）、（5）、（7）中，所述氩气的流量为20~100 sccm。
进一步地，合成的碳纳米线的直径为20~40 nm，尺寸均一，且在所述陶瓷粉体表面均匀分布。
本发明可采用不同种类的陶瓷粉体作为衬底，分散吸附在陶瓷粉体表面的含铁化合物经还原得到催化剂，相对采用电子束蒸发设备在特殊的衬底（镀10 nm氧化铝的SiO2/Si片）上镀Fe纳米层获得催化剂，对基体材料的依赖性弱。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明通过在陶瓷粉体表面合成碳纳米线，实现碳纳米线在陶瓷基复合材料中的广泛应用，且对基体材料（陶瓷粉体）的依赖性弱；
（2）本发明合成工艺简单、成本低且对设备要求低；
（3）本发明合成的碳纳米线尺寸均一，且在陶瓷粉体表面均匀分布。
附图说明
图1为实施例1中在陶瓷粉体表面合成的碳纳米线的扫描电镜（SEM）图；
图2为实施例1中在陶瓷粉体表面合成的碳纳米线的透射电镜（TEM）图；
图3为实施例2中在陶瓷粉体表面合成的碳纳米线的SEM图；
图4为实施例3中在陶瓷粉体表面合成的碳纳米线的SEM图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明，但本发明不限于此。
实施例1
（1）分别称量50 g碳化硅粉（粉体粒径分布为0.5~0.7 μm）和21.7 g Fe(NO3)3·9H2O倒入同一烧杯中，用玻璃棒搅拌的同时滴加10 mL去离子水，形成均匀的泥状混合物；
（2）将得到的泥状混合物置于干燥箱在40℃下干燥18 h，研磨并过100目筛得到前驱体粉末；
（3）将过筛得到的前驱体粉末均匀平铺在瓷方舟内，置于管式炉中央，在氩气流量为30 sccm的条件下以5℃/min的速率升温到600℃；
（4）停止通入氩气，开始以100 sccm的流量通入氢气，并在600℃保温40 min；
（5）停止通入氢气，开始以30 sccm的流量通入氩气，继续以5℃/min的速率加热管式炉至1050℃；
（6）停止通入氩气，开始分别以35 sccm和100 sccm的流量通入甲烷和氢气，在1050℃保温30 min；
（7）停止通入甲烷和氢气，开始以30 sccm的流量通入氩气，自然降至室温，在碳化硅粉体表面合成碳纳米线。
对制备的纳米复合粉体进行SEM和TEM观察，其中，合成的纳米复合粉体的SEM图如图1所示，由图1可知，合成的碳纳米线在碳化硅粉体上均匀分布；合成的纳米复合粉体的TEM图如图2所示；由图1和图2可知，合成的碳纳米线直径约20~30 nm，且尺寸分布均一。
实施例2
（1）分别称量50 g氧化铝粉（粉体粒径分布为0.5~0.7 μm）和18.1 g Fe(NO3)3·9H2O倒入同一烧杯中，用玻璃棒搅拌的同时滴加11 mL去离子水，形成均匀的泥状混合物；
（2）将得到的泥状混合物置于干燥箱在50℃下干燥15 h，研磨并过200目筛得到前驱体粉末；
（3）将过筛得到的前驱体粉末均匀平铺在瓷方舟内，置于管式炉中央，在氩气流量为60 sccm的条件下以8℃/min的速率升温到620℃；
（4）停止通入氩气，开始以90 sccm的流量通入氢气，并在620℃保温50 min；
（5）停止通入氢气，开始以60 sccm的流量通入氩气，继续以8℃/min的速率加热管式炉至1070℃；
（6）停止通入氩气，开始分别以30 sccm和90 sccm的流量通入甲烷和氢气，在1070℃保温90 min；
（7）停止通入甲烷和氢气，开始以60 sccm的流量通入氩气，自然降至室温，在氧化铝粉体表面合成碳纳米线。
制备的纳米复合粉体的SEM图如图3所示，由图3可知，合成的碳纳米线在氧化铝粉体上均匀分布，合成的碳纳米线直径为20~25 nm，且尺寸分布均一。
实施例3
（1）分别称量50 g硼化锆粉（粉体粒径分布为0.5~0.7 μm）和14.5 g Fe(NO3)3·9H2O倒入同一烧杯中，用玻璃棒搅拌的同时滴加12 mL去离子水，形成均匀的泥状混合物；
（2）将得到的泥状混合物置于干燥箱在60℃下干燥12 h，研磨并过250目筛得到前驱体粉末；
（3）将过筛得到的前驱体粉末均匀平铺在瓷方舟内，置于管式炉中央，在氩气流量为100 sccm的条件下以10℃/min的速率升温到650℃；
（4）停止通入氩气，开始以80 sccm的流量通入氢气，并在650℃保温60 min；
（5）停止通入氢气，开始以100 sccm的流量通入氩气，继续以10℃/min的速率加热管式炉至1040℃；
（6）停止通入氩气，开始分别以28 sccm和85 sccm的流量通入甲烷和氢气，在1040℃保温20 min；
（7）停止通入甲烷和氢气，开始以100 sccm的流量通入氩气，自然降至室温，即可在硼化锆粉体表面合成出碳纳米线。
制备的纳米复合粉体的SEM图如图4所示，由图4可知，合成的碳纳米线在硼化锆粉体上均匀分布，合成的碳纳米线直径为30~40 nm，尺寸分布均一。

Claims (6)

1.一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将陶瓷粉体与Fe(NO3)3·9H2O混合均匀，在搅拌条件下同时滴加去离子水，形成均匀的泥状混合物；所述陶瓷粉体材料包括氧化物陶瓷粉体或非氧化物陶瓷粉体，粉体粒径分布为0.5~0.7 μm；所述氧化物陶瓷粉体包括氧化铝粉；所述非氧化物陶瓷粉体包括硼化锆粉或碳化硅粉；所述Fe(NO3)3·9H2O按Fe的质量计，占陶瓷粉体的质量分数为4%~6%；所述去离子水的添加量与陶瓷粉体质量的比为10~12:50mL/g；
（2）将步骤（1）得到的泥状混合物置于干燥箱中干燥后，取出，研磨、过筛，得到前驱体粉末；
（3）将步骤（2）得到的前驱体粉末均匀平铺在瓷方舟内，再将瓷方舟置于管式炉中央，在氩气流动气氛下对管式炉进行加热；所述加热是以5~10℃/min的速率加热至温度为600~650℃；
（4）加热完成后，停止通入氩气，开始通入氢气，保温；所述保温是在600~650℃保温40~60 min；
（5）保温结束后，停止通入氢气，开始通入氩气，对管式炉进行第二次加热，第二次加热是以5~10℃/min的速率加热至温度为1040~1070℃；
（6）第二次加热结束后，停止通入氩气，开始通入甲烷和氢气，进行第二次保温；
（7）第二次保温结束后，停止通入甲烷和氢气，开始通入氩气，在氩气流动气氛下自然降至室温，在陶瓷粉体表面合成碳纳米线；所述第二次保温是在1040~1070℃保温20~90min。
2.根据权利要求1所述的一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述干燥是在40~60℃干燥12~18h；所述过筛是过100~250目筛。
3.根据权利要求1所述的一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，其特征在于，步骤（6）中，所述甲烷和氢气的流量分别为28~35 sccm和85~100 sccm。
4.根据权利要求1所述的一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述氢气的流量为80~100 sccm。
5.根据权利要求1所述的一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，其特征在于，步骤（3）、（5）、（7）中，所述氩气的流量为20~100 sccm。
6.根据权利要求1所述的一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法，其特征在于，合成的碳纳米线的直径为20~40 nm，尺寸均一，且在所述陶瓷粉体表面均匀分布。
CN201710642364.3A 2017-07-31 2017-07-31 一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法 Active CN107417300B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710642364.3A CN107417300B (zh) 2017-07-31 2017-07-31 一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710642364.3A CN107417300B (zh) 2017-07-31 2017-07-31 一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107417300A CN107417300A (zh) 2017-12-01
CN107417300B true CN107417300B (zh) 2021-01-19

Family

ID=60430770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710642364.3A Active CN107417300B (zh) 2017-07-31 2017-07-31 一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107417300B (zh)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105670559B (zh) * 2015-12-29 2018-01-16 西北工业大学 原位自生碳纳米线/多孔陶瓷吸波材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107417300A (zh) 2017-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101583916B1 (ko) 나노카본 강화 알루미늄 복합재 및 그 제조방법
KR101414560B1 (ko) 전도성 필름의 제조방법
Gole et al. Direct synthesis of silicon nanowires, silica nanospheres, and wire-like nanosphere agglomerates
Zhao et al. In situ growth of graphdiyne on arbitrary substrates with a controlled-release method
CN100443223C (zh) 原位合成碳纳米管/镍/铝增强增韧氧化铝基复合材料制备方法
WO2011108492A1 (ja) カーボンナノチューブ配向集合体の製造方法
EP2402285B1 (en) Method for fabricating composite material comprising nano carbon and metal or ceramic
CN105543598B (zh) 一种增强镁基复合材料的制备方法
Zou et al. A nanoscale core-shell of β-SiCP–Ni prepared by electroless plating at lower temperature
CN103924172B (zh) 一种增强铝基复合材料的制备方法
CN110157931B (zh) 一种具有三维网络结构的纳米碳增强金属基复合材料及其制备方法
JP5412848B2 (ja) 微細構造材料の製造方法
Choi et al. Mass production of carbon nanotubes using spin-coating of nanoparticles
CN107902640A (zh) 一种氮化硼包覆多壁碳纳米管的制备方法
Wu et al. Polymer precursor synthesis of novel ZrC–SiC ultrahigh-temperature ceramics and modulation of their molecular structure
CN107417300B (zh) 一种在陶瓷粉体表面合成碳纳米线的方法
Zhuang et al. Systematic investigation of the ball milling–annealing growth and electrical properties of boron nitride nanotubes
TWI579231B (zh) 一種製備球形氮化鋁粉末的方法
Nguyen et al. The synthesis of carbon nanotubes grown on metal substrates: A review
CN115644174A (zh) 一种银/石墨炔复合材料及其制备方法和应用
CN112876254B (zh) 一种多孔碳化硅陶瓷膜及其制备方法
CN101215691A (zh) 原位合成金属镍纳米粒子包覆碳纳米管的复合材料的方法
CN109468619B (zh) 碳纳米管表面镀覆方法
Zeng et al. The formation mechanisms of porous silicon prepared from dense silicon monoxide
CN110102773B (zh) 一种粒径可控的有序介孔Ni纳米颗粒的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant