CN110273183A - 一种碳化硅纳米晶须的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碳化硅纳米晶须的制备方法，以蔗糖水和纳米硅粉为原料，在180℃～250℃温度下水热反应10～48h形成混合溶液，冷却至室温后，过滤、洗涤并烘干，制得碳化硅纳米晶须前驱体；然后在1000～1500℃并保温3～5h，制得含有杂质的碳化硅纳米晶须；再将含有杂质的碳化硅纳米晶须在400～600℃于空气气氛下煅烧0.5～2h；最后将纳米晶须浸渍于氢氟酸/盐酸混酸中，然后经过过滤、洗涤、烘干，制得碳化硅纳米晶须。本发明具有污染小、反应条件温和、无需催化剂、所得碳化硅纳米晶须线性好，纯度高等优点。

Description

一种碳化硅纳米晶须的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硅纳米晶须的制备方法，具体涉及一种利用蔗糖为原料制备碳化硅纳米晶须的方法。
背景技术
碳化硅纳米线、晶须等一维纳米材料(纳米管、纳米线、纳米棒等)是碳化硅晶体极端各向异性生长的产物。碳化硅一维纳米材料结晶性好，杂质浓度低，结构缺陷少，使其具有优异的力学性能。碳化硅纳米线具有良好的化学稳定性、比强度、比模量，且与铝、镁等金属及金属氧化物有很好的化学相容性和结合强度，是各种高性能材料理想的的补强增韧材料。
中国专利(公开号：CN101746759A)公开了一种利用植物纤维合成碳化硅纳米线的方法。该方法以植物纤维为碳源及模板，以硅粉等为硅源，以金属Fe、Co、Ni或Ag为催化剂，通过浸渍法使硅源和金属离子吸附在植物纤维表面，分离、干燥后，将得到的处理后的植物纤维于惰性气体保护下高温反应一定时间后得到碳化硅纳米线。该制备方法虽简单且成本低廉，但仍需使用催化剂。
中国专利(公开号：CN106044773A)公开了一种以生物质稻壳为硅源，纳米炭为碳源制备碳化硅晶须的方法。该方法用稻壳作为硅源，在空气气氛下焙烧得到稻壳灰，将其与纳米炭置于反应器中，在保护气氛下置进行烧结反应。反应结束后于空气气氛下锻烧除碳，随后置于混酸中浸渍洗涤至中性并烘干，得到碳化硅晶须。其方法简单易行、产物收率高、成本低。但是稻壳中杂质多，碳化硅晶须性能较低。
中国专利(公开号：CN1962433A)公开了一种含有伴生非晶态球状结构的碳化硅纳米线及其制备方法。该方法通过按照硅与碳的摩尔比为2∶1～5的比例配置蔗糖和硅溶胶的混合溶胶，再通过搅拌、凝胶化处理，将得到的凝胶放入坩埚并置于管式加热炉中，抽真空，向管式加热炉中通入氩气，进行气氛烧结，冷却至室温，得到碳化硅纳米线。该制备工艺复杂，原料硅溶胶价格较高，因此该技术在应用方面有一定限制。
综上所述，目前的碳化硅纳米线制备方法均存在纯度低、晶粒粗的问题。正在发展的化学气相沉积法尽管能制取高纯度碳化硅，但是碳化硅中硅：碳比不易控制，影响其模量和强度；并且存在催化剂颗粒大小不一，催化点位置偏差，导致碳化硅纳米线存在缠绕现象，不利于分散，存在应用瓶颈。正在发展的前驱体裂解法，其裂解前驱体价格昂贵，制备成本较高，纯度较低；正在发展的模板法，制备工艺复杂，使用模板、成本较高。
发明内容
为了克服碳化硅晶须纯度低、成本高的不足，本发明提供一种成本低、反应条件温和、易于产业化的高纯度碳化硅纳米晶须制备方法。
一种碳化硅纳米晶须的制备方法，包括以下顺序的步骤：
(1)将蔗糖溶于蒸馏水中，配置浓度为0.1～0.3mol/L的蔗糖水溶液；
(2)将平均粒径为10～200nm的硅粉分散于蔗糖水溶液中，超声分散后制备成悬浮液；其中，硅粉与蔗糖摩尔比为1∶(0.1～2)；
(3)将悬浮液置于反应釜中，在180℃～250℃温度下水热反应10～48h形成混合溶液；
(4)将混合溶液自然冷却至室温，过滤、洗涤并烘干后，制得碳化硅纳米晶须前驱体；(5)将碳化硅纳米晶须前驱体置于坩埚，放入高温炉中，通入氩气或氦气保护气氛；
(6)在保护气体氛围下，以6～16℃/min的升温速率升温至1000～1500℃并保温3～5h，随炉冷却至室温，制得含有杂质的碳化硅纳米晶须；
(7)将制得含有杂质的碳化硅纳米晶须在400～600℃于空气气氛下煅烧0.5～2h；
(8)将煅烧后的碳化硅纳米晶须浸渍于氢氟酸/盐酸混酸中，然后经过过滤、洗涤、烘干，制得碳化硅纳米晶须。
本发明具有的优点为：(1)所用设备简单，反应条件温和；(2)制备过程易控，无污染；(3)碳化硅纳米晶须产物品质高，纯度高。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步详细说明本发明，但应注意本发明的保护范围不限于此。
实施例1
(1)将34.23g蔗糖溶于500ml蒸馏水中，配置蔗糖水溶液；
(2)将1.41g平均粒径为10～100nm的硅粉硅粉分散于步骤(1)所制得的蔗糖水溶液中，超声分散30min后制备成悬浮液；
(3)将步骤(2)所制得的悬浮液置于反应釜中，在180℃下水热反应16h；
(4)将步骤(3)所制得的混合液自然冷却至室温，过滤、洗涤并烘干后，制得碳化硅纳米晶须前驱体；
(5)将步骤(4)所制得的碳化硅纳米晶须前驱体置于坩埚并放入高温炉中，抽真空至10Pa后通入氮气至常压；
(6)在氮气氛围下，将步骤(5)中高温炉以10℃/min的升温速率升温至1200℃并保温5h后随炉冷却至室温，制得含有杂质的碳化硅纳米晶须；
(7)将步骤(6)所制得的碳化硅纳米晶须置于600℃的高温炉中，于空气气氛下煅烧1h；
(8)将步骤(7)所制得的煅烧后的碳化硅纳米晶须浸渍于摩尔比为1∶2的氢氟酸/盐酸混酸中1h去除杂质，洗涤并烘干后，制得碳化硅纳米晶须。
本实施例制取的碳化硅纳米晶须直径为1～5nm，长度为5～10μm。
实施例2
(1)将17.11g蔗糖溶于500ml蒸馏水中，配置蔗糖水溶液；
(2)将2.81g平均粒径为100～200nm的硅粉分散于步骤(1)所制得的蔗糖水溶液中，超声分散30min后制备成悬浮液；
(3)将步骤(2)所制得的悬浮液置于反应釜中，在200℃下水热反应48h；
(4)将步骤(3)所制得的混合液自然冷却至室温，过滤、洗涤并烘干后，制得碳化硅纳米晶须前驱体；
(5)将步骤(4)所制得的碳化硅纳米晶须前驱体置于坩埚并放入高温炉中，抽真空至10Pa后通入氮气至常压；
(6)在氮气氛围下，将步骤(5)中高温炉以10℃/min的升温速率升温至1200℃并保温5h后随炉冷却至室温，制得含有杂质的碳化硅纳米晶须；
(7)将步骤(6)所制得的碳化硅纳米晶须置于600℃的高温炉中，于空气气氛下煅烧1h；
(8)将步骤(7)所制得的煅烧后的碳化硅纳米晶须浸渍于摩尔比为1∶1的氢氟酸/盐酸混酸中1h去除杂质，洗涤并烘干后，制得碳化硅纳米晶须.
本实施例制取的碳化硅纳米晶须直径为5～15nm，长度为2～6μm。

Claims (1)

1.一种碳化硅纳米晶须的制备方法，其特征在于包括以下顺序的步骤：
(1)将蔗糖溶于蒸馏水中，配置浓度为0.1～0.3mol/L的蔗糖水溶液；
(2)将平均粒径为10～200nm的硅粉分散于蔗糖水溶液中，超声分散后制备成悬浮液；其中，硅粉与蔗糖摩尔比为1∶(0.1～2)；
(3)将悬浮液置于反应釜中，在180℃～250℃温度下水热反应10～48h形成混合溶液；
(4)将混合溶液自然冷却至室温，过滤、洗涤并烘干后，制得碳化硅纳米晶须前驱体；
(5)将碳化硅纳米晶须前驱体置于坩埚，放入高温炉中，通入氩气或氦气保护气氛；
(6)在保护气体氛围下，以6～16℃/min的升温速率升温至1000～1500℃并保温3～5h，随炉冷却至室温，制得含有杂质的碳化硅纳米晶须；
(7)将制得含有杂质的碳化硅纳米晶须在400～600℃于空气气氛下煅烧0.5～2h；
(8)将煅烧后的碳化硅纳米晶须浸渍于氢氟酸/盐酸混酸中，然后经过过滤、洗涤、烘干，制得碳化硅纳米晶须。
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