CN108046266A - 碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法，用于解决现有碳化硅纳米线薄膜制备方法实用性差的技术问题。技术方案是将葡萄糖、二氧化硅和氯化钠粉料放入球磨罐内球磨混合均匀，将球磨后的混合粉料平铺在覆盖石墨纸的石墨坩埚底部，顶部盖一张石墨纸作为纳米线生长的基底，再把装好球磨粉料的石墨坩埚放入热处理炉中在氩气环境下高温处理合成碳化硅纳米线，将合成的纳米线压平后从石墨纸上取下，即得到所制备的碳化硅纳米线薄膜材料。本发明高温热处理在常压下进行，无需真空设备，采用一步合成法简化了生产工艺，缩短了生产周期，从原料到成品碳化硅纳米线薄膜材料在20小时内完成，并且所制备的薄膜材料纯度高，实用性好。

Description

碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅纳米线薄膜制备方法，特别涉及一种碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法。

背景技术

碳化硅是一种宽带隙半导体材料,具有抗氧化性强、热传导率高、热稳定性好、耐化学腐蚀好等优异物理化学性能。一维碳化硅纳米材料在高温、高频、大功率的半导体器件以及纳米尺度的电子及光电子领域中具有巨大的潜在应用价值。此外，由于碳化硅纳米线具有非常高的强度和韧性，还可以广泛用于高温下陶瓷、金属基体复合材料的增强剂。如碳/碳复合材料与玻璃陶瓷材料之间热膨胀系数的不匹配,仍是高温条件下碳/碳复合材料与玻璃陶瓷连接强度偏低的主要因素。将碳化硅纳米线制成均匀薄膜能更方便的对纳米线曾韧效果进行定量分析；在碳/碳复合材料连接过程中，通常在连接面原位生长纳米线达到对连接层增强的效果，但对于异形面连接会出现原位生长纳米线不均匀的情况，这将导致连接层出现大量缺陷从而大大降低连接强度，当采用引入纳米线薄膜的方法时就能有效保障纳米线均匀分布，解决连接层纳米线分布不均匀问题，因而有效提高异形面连接的连接强度，使碳化硅纳米线适应性更强，因此，开发一种低成本大规模制备碳化硅纳米线薄膜技术十分重要。

文献“申请公布号是CN106185946A[P]的中国发明专利”公开了一种自支撑碳化硅纳米线纸的制备方法。该方法以甲基三甲氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷为原料，以硝酸作为交联催化剂，采用共水解法制备硅凝胶，干燥后获得干凝胶，再对凝胶热处理制备碳化硅纳米线薄膜，该方法制备工艺复杂，原料成本较高。

文献“授权公告号是CN103253672B[P]的中国发明专利”公开了一种基于光电催化分解水制氢的碳化硅纳米线薄膜制备方法。该方法以正硅酸乙酯和石墨粉为原料先制备出凝胶，干燥后再在1400～1700℃下保温烧结生成碳化硅纳米线薄膜，原料成本高，实验过程繁琐，周期长，能耗大。

发明内容

为了克服现有碳化硅纳米线薄膜制备方法实用性差的不足，本发明提供一种碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法。该方法以无水葡萄糖为碳源，二氧化硅粉为硅源，氯化钠为高温发泡剂和活化剂。将葡萄糖、二氧化硅和氯化钠粉料放入球磨罐内球磨混合均匀，将球磨后的混合粉料平铺在覆盖石墨纸的石墨坩埚底部，顶部盖一张石墨纸作为纳米线生长的基底，再把装好球磨粉料的石墨坩埚放入热处理炉中在氩气环境下高温处理合成碳化硅纳米线，将合成的纳米线压平后从石墨纸上取下，即得到所制备的碳化硅纳米线薄膜材料。本发明高温热处理在常压下进行，无需真空设备，采用一步合成法简化了生产工艺，缩短了生产周期，从原料到成品碳化硅纳米线薄膜材料在20小时内完成，并且所制备的薄膜材料纯度高，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、称取无水葡萄糖3～4g，取二氧化硅粉过200～300目筛，称取筛下料2～3g，称取氯化钠4～5g。将称取好的原料放入尼龙球磨罐中加入玛瑙球，在行星球磨机上以200～300r/min的速度球磨2～3h，得到混合粉料；

步骤二、取一石墨坩埚，将其底部和内壁均用石墨纸覆盖，将步骤一得到的混合粉料平铺在石墨坩埚的底部，然后裁剪一张石墨纸封住石墨坩埚顶部，石墨纸面向石墨坩埚内部的纸面用无水乙醇擦拭干净，作为碳化硅纳米线薄膜的生长基底；

将装有混合粉料的石墨坩埚放入到热处理炉中，将热处理炉抽真空至-0.09～-0.10MPa，然后通入氩气使炉内气压至常压。打开尾气阀，通入400～600ml/min的Ar气，常压下以8～10℃/min的速率将热处理炉升温到1500～1700℃并保温1～3h；随炉冷却至室温，将坩埚从炉中取出；

取下坩埚顶部石墨纸，石墨纸下表面有一层淡绿色或白色毛绒状物质，即为碳化硅纳米线薄膜材料。

本发明的有益效果是：该方法以无水葡萄糖为碳源，二氧化硅粉为硅源，氯化钠为高温发泡剂和活化剂。将葡萄糖、二氧化硅和氯化钠粉料放入球磨罐内球磨混合均匀，将球磨后的混合粉料平铺在覆盖石墨纸的石墨坩埚底部，顶部盖一张石墨纸作为纳米线生长的基底，再把装好球磨粉料的石墨坩埚放入热处理炉中在氩气环境下高温处理合成碳化硅纳米线，将合成的纳米线压平后从石墨纸上取下，即得到所制备的碳化硅纳米线薄膜材料。本发明高温热处理在常压下进行，无需真空设备，采用一步合成法简化了生产工艺，缩短了生产周期，从原料到成品碳化硅纳米线薄膜材料在20小时内完成，并且所制备的薄膜材料纯度高，实用性好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法实施例1制备的碳化硅纳米线薄膜材料的物相分析XRD图谱。

图2是是本发明方法实施例1制备的碳化硅纳米线薄膜材料的数码照片及低倍扫描形貌照片。其中图2(a)为裁剪后的纳米线薄膜原始照片；图2(b)为将纳米线薄膜卷曲后的照片；图2(c)为将纳米线薄膜拧成绳后系成结的照片；图(d)为纳米线薄膜的微观形貌照片。

具体实施方式

以下实施例参照图1-2。

实施例1。

步骤一、混合粉料：称取无水葡萄糖4g，取二氧化硅粉过300目筛，称取筛下料3g，称取氯化钠5g。将称取好的粉料放入球磨罐中加入玛瑙球，在行星球磨机上以300r/min的速度球磨2h，得到混合粉料；

步骤二、碳化硅纳米线薄膜材料的合成：

取一石墨坩埚，在其底部和内壁均用石墨纸覆盖，将经步骤一得到的混合粉料平铺在石墨坩埚的底部，然后裁剪一张石墨纸封住石墨坩埚顶部，石墨纸面向石墨坩埚内部的纸面用无水乙醇擦拭干净，作为碳化硅纳米线薄膜的生长基底；

将装好混合粉料的石墨坩埚放入到热处理炉中进行热处理；将热处理炉抽真空至-0.09MPa，通入氩气使炉内气压至常压；打开尾气阀，通入400ml/min的氩气，以10℃/min的速率将热处理炉升温到1600℃并保温2h；关闭电源待炉冷却至室温，将坩埚从炉中取出；

取下坩埚顶部石墨纸，石墨纸下表面有一层淡绿色毛绒状物质，将石墨纸放在水平面上，附有绒状物质的一侧朝上，取一张称量纸，覆盖住毛绒状物，用玻璃片将其压平成薄层，再用称量纸边缘将压平后的薄层从石墨纸上揭下来，即为所制备的纳米线薄膜材料。

本实施例得到的纳米线薄膜材料试样中纳米线呈链珠状，厚度约为60μm。

图1为制得的碳化硅纳米线薄膜材料的物相分析XRD图谱，从图1中可见，所制得的材料仅有碳化硅一种相，无其它杂质存在；此外碳化硅的衍射峰窄而尖锐，说明制得的碳化硅结晶程度高。

图2为制得的碳化硅纳米线薄膜材料制备完成后的数码照片及低倍扫描形貌。其中图2(a)为裁剪后的纳米线薄膜原始图；图2(b)、(c)分别为将纳米线薄膜卷曲后及拧成绳后系成的结展现出良好的柔韧性；图2(d)为纳米线薄膜的微观形貌图。

实施例2。

步骤一、混合粉料：称取无水葡萄糖3g，取二氧化硅粉过200目筛，称取筛下料2g，称取氯化钠4g。将称取好的粉料放入球磨罐中加入玛瑙球，在行星球磨机上以200r/min的速度球磨3h，得到混合粉料；

步骤二、碳化硅纳米线薄膜材料的合成：

取一石墨坩埚，在其底部和内壁均用石墨纸覆盖，将经步骤一得到的粉料平铺在石墨坩埚的底部，然后裁剪一张石墨纸封住坩埚顶部，其面向坩埚内部的纸面用无水乙醇擦拭干净，作为碳化硅纳米线薄膜的生长基底；

将前述装好粉料的石墨坩埚放入到热处理炉中进行热处理；将热处理炉抽真空至-0.10MPa，除去炉内空气，通入氩气使炉内气压至常压；打开尾气阀，通入600ml/min的氩气，以8℃/min的速率将热处理炉升温到1500℃并保温3h；关闭电源待炉冷却至室温，将坩埚从炉中取出；

取下坩埚顶部石墨纸，石墨纸下表面有一层淡绿色毛绒状物质，将石墨纸放在水平面上，附有绒状物质的一侧朝上，取一张称量纸，覆盖住毛绒状物，用玻璃片将其压平成薄层，再用称量纸边缘将压平后的薄层从石墨纸上揭下来，即为所制备的纳米线薄膜材料。

本实施例得到的碳化硅纳米线薄膜材料试样，纳米线均匀且较细，具有较好的柔韧性，纳米线薄膜厚度约为50μm。

实施例3。

步骤一、混合粉料：称取无水葡萄糖4g，取二氧化硅粉过300目筛，称取筛下料2.56g，称取氯化钠5g。将称取好的粉料放入球磨罐中加入玛瑙球，在行星球磨机上以300r/min的速度球磨2h，得到混合粉料；

步骤二、碳化硅纳米线薄膜材料的合成：

将经步骤一得到的粉料平铺在刚玉坩埚底部，放入样品后，裁剪一张石墨纸封住坩埚顶部，其面向坩埚内部的面用无水乙醇擦拭干净，作为碳化硅纳米线薄膜的生长基底；

将前述装好粉料的石墨坩埚放入到热处理炉中进行热处理；将热处理炉抽真空至-0.10MPa，通入氩气使炉内气压至常压；打开尾气阀，通入500ml/min的氩气，以9℃/min的速率将热处理炉升温至1700℃并保温1h；关闭电源待炉冷却至室温，将坩埚从炉中取出；

取下坩埚顶部石墨纸，石墨纸下表面有一层白色毛绒状物质，将石墨纸放在水平面上，附有绒状物质的一侧朝上，取一张称量纸，覆盖住毛绒状物，用玻璃片将其压平成薄层，再用称量纸边缘将压平后的薄层从石墨纸上揭下来，即为所制备的纳米线薄膜材料。

本实施例得到的碳化硅纳米线薄膜材料试样，厚度可达100μm。

Claims (1)

1.一种碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、称取无水葡萄糖3～4g，取二氧化硅粉过200～300目筛，称取筛下料2～3g，称取氯化钠4～5g；将称取好的原料放入尼龙球磨罐中加入玛瑙球，在行星球磨机上以200～300r/min的速度球磨2～3h，得到混合粉料；

步骤二、取一石墨坩埚，将其底部和内壁均用石墨纸覆盖，将步骤一得到的混合粉料平铺在石墨坩埚的底部，然后裁剪一张石墨纸封住石墨坩埚顶部，石墨纸面向石墨坩埚内部的纸面用无水乙醇擦拭干净，作为碳化硅纳米线薄膜的生长基底；

将装有混合粉料的石墨坩埚放入到热处理炉中，将热处理炉抽真空至-0.09～-0.10MPa，然后通入氩气使炉内气压至常压；打开尾气阀，通入400～600ml/min的Ar气，常压下以8～10℃/min的速率将热处理炉升温到1500～1700℃并保温1～3h；随炉冷却至室温，将坩埚从炉中取出；

取下坩埚顶部石墨纸，石墨纸下表面有一层淡绿色或白色毛绒状物质，即为碳化硅纳米线薄膜材料。