CN1125892C - 一种制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法。该方法是以SiO2和CH4为原料，依次经过SiO2的氧化还原反应，CH4的分解反应，Si与C的合成反应过程制成纳米级SiCw/SiCf；本发明的技术特征在于，所采用的原料气为CH4，还原剂为第I、第II主族金属的纳米粉末及所采用的过渡金属催化剂。本发明同以酚醛树脂为原料及以SiCl4为原料法生产纳米级碳化硅方法相比，具有制造成本低，无环境污染和节能的特点。
Description
本发明涉及一种制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法。它属于碳化硅纳米级材料制造技术。
碳化硅晶须/纤维(SiCw/SiCf)具有优良的综合力学性能，广泛应用于航天航空、国防和民用工业中；在化学工业中，它即可用做催化剂，又可作为催化剂的载体。
目前有关制造纳米级碳化硅晶须/纤维技术的报道，在文献(J.Amer.CeramicSoc.，1997，80(5)，1274-1276)中指出，采用SiO2、酚醛树脂、炭黑的超细粉，使用微波加热并在600℃条件进行合成；在文献(Chin.Phys.Lett.1998，15(9)，689-691)中指出，采用SiCl4、活性碳，在铁催化剂作用下，于1200℃合成。
现有的上述合成方法，前者采用酚醛树脂为原料，这不仅提高了制造成本，而且造成对环境的污染。后者是在较高温度下进行合成，能耗较高。
本发明的目的，在于提供一种制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法。该方法具有采用的原料对环境无污染，制造成本低，节能的特点。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的。以SiO2和烷烃气为原料，金属纳米粉末为还原剂及气体为助还原剂，在过渡金属催化剂的作用下，并依次经过SiO2的氧化还原反应，原料气的分解反应，Si与C的合成反应过程制备成纳米级碳化硅晶须/纤维，其特征在于，原料气采用CH4；氧化还原反应采用Mg、或者Ca、或者Na、或者K的纳米粉末为还原剂，以H2为助还原剂；原料气的分解反应，采用Co、或者Ni、或者它们的混合物为催化剂，反应的压力为0.1-5MPa；Si与C的合成反应温度在600-900℃。
上述的分解反应最佳反应压力为1-3MPa。
上述的合成反应最佳反应温度为700-800℃。
下面对本发明作以详细说明。
本发明的反应过程的表达式如下： M*为第I、第II主族金属纳米粉末。
在上述的反应中，有着诸多因素影响其硅底物的转化率及产物收率。实验证明，增大H2的流量，有利于提高SiCw/SiCf的形成、生长和完善及提高硅底物的转化率；实验也证明了，适当增加还原剂与硅底物之比，以及提高反应温度、延长反应时间、采用不同组分的催化剂，对提高产物的收率和改善形貌均有影响。
本发明的产物可通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、红外(IR)、X光电子能谱(XPS)、能量损失谱(EDS)进行检测加以确认，并可对其Si、C等元素作定量分析。本发明的产物SiCw/SiCf直径分布在10-80nm，长度为微米级。
本发明同现有技术相比，它的特点在于采用的原料对环境无污染，反应温度相对较低，制造成本低，节能，产物性能较好。
下面再以实施例和对比例对本发明加以进一步说明。
实施例一：
SiO2取0.2g与纳米Mg粉按1∶1混合均匀，加入适量Ni催化剂；将混合物转移入石英反应管，用N2吹扫5分钟，再用CH4吹扫15分钟，电炉加热至800℃，在CH4∶H2为100∶50ml/min的条件常压操作，反应2小时，产物收率为33％。
实施例二：
与实施例一其他条件和步骤相同，改变CH4∶H2为50∶100ml/min，反应时间为1小时，产物收率为40％。
实施例三：
与实施例一其他条件和步骤相同，改变SiO2∶Mg为1∶2时，产物收率为54％。
实施例四；
与实施例一其他条件和步骤相同，改变SiO2∶Mg为1∶3时，产物收率为49％。对比例一：
将SiO2粉末放入石英反应管，用电炉加热至800℃，通入CH4为2小时，没有发生反应。对比例二：
按实施例一的条件与步骤进行实验。当CH4∶H2为100∶0时，反应产物为纳米级的颗粒状碳化硅，而不是晶须，也不是纤维状碳化硅。
Claims (3)
1.一种制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法，它是以SiO2和烷烃气为原料，金属纳米粉末为还原剂及气体为助还原剂，在过渡金属催化剂的作用下，并依次经过SiO2的氧化还原反应，原料气的分解反应，Si与C的合成反应过程制备成碳化硅晶须/纤维，其特征是：原料气采用CH4；氧化还原反应采用Mg的纳米粉末为还原剂，以H2为助还原剂；原料气的分解反应，采用Co、或者Ni、或者它们的混合物为催化剂，反应压力为0.1-5MPa；Si与C的合成反应温度在600-900℃，得到的纳米级碳化硅晶须/纤维产物的直径为10-80nm，长度为数微米至数十微米。
2.按权利要求1所述的制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法，其特征在于：分解反应的反应压力为0.1-3Mpa。
3.按权利要求1所述的制备纳米级碳化硅晶须/纤维的方法，其特征在于：合成反应的反应温度为700-800℃。
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