CN113816382B - 一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法 - Google Patents

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Abstract

一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，本发明涉及SiC纳米线制备方法领域。本发明要解决目前SiC纳米线合成过程复杂、成本高，且纳米线纯度低的技术问题。方法：一、硅粉氧化；二、SiC纳米线合成。本发明原材料廉价易得、工艺简单、烧结温度低，所得纳米线形貌均一且纯度高，直径为20～200nm，长度在微米级别，长径比远高于10:1。本发明用于制备SiC纳米线。

Description

一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法
技术领域
本发明涉及SiC纳米线制备方法领域。
背景技术
SiC具有高强度，高硬度，热膨胀系数小，抗氧化性强，热导率大，耐磨性好等优良特性，作为增强体被广泛应用于金属基复合材料之中。经过近十年的探索，发现SiC纳米线的弯曲强度高达55GPa，延伸率高达200％，力学性能都远高于SiC颗粒或者SiC晶须，因此SiC纳米线作为金属基复合材料的增强体，在近年来引发了研究者极大的兴趣。
目前SiC纳米线合成方法很多，如化学气相沉积法、激光烧蚀法、高频感热加热法、碳热还原法等。其中化学气相沉积法需要控制的工艺参数多，对工艺条件要求苛刻，同时时间最多高达300小时以上，生长周期长；激光烧蚀法与高频感应加热法制备仪器要求复杂，能耗大，所制备的纳米线顶部一般带有金属颗粒，影响纳米线的纯度；碳热还原法主要利用硅源与碳源在高温产生的SiO与CO气体，生成SiC纳米线，但由于生长过程中SiO与CO气体不断反应致使气体浓度快速降低，导致所得的纳米线粗细不均一，长度较低，同时目前该方法反应温度一般达到1500℃以上。因此，如何较低成本、高效率制备高纯度SiC纳米线成为研究的一个焦点。
发明内容
本发明要解决目前SiC纳米线合成过程复杂、成本高，且纳米线纯度低的技术问题，而提供一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法。
一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，按以下步骤进行；
一、硅粉氧化：
将硅粉放入盛有蒸馏水的高压反应釜内，然后调节高压反应釜温度为80～150℃，保温进行硅粉氧化处理，随后烘干，得到干燥的粉体；
二、SiC纳米线合成：
将步骤一中得到的粉体放入石墨坩埚中，加盖石墨盖，放入气氛烧结炉内，抽真空；再将氩气充入气氛烧结炉；然后将气氛烧结炉升温至1000～1300℃保温，然后冷却至300～600℃，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到SiC纳米线粉体，完成制备。
其中石墨盖与石墨坩埚作为碳源。
本发明以工业硅粉与石墨为原材料，通过较低温度下对硅粉氧化处理，在硅粉表面包覆一层非连续的非晶氧化层，不添加任何催化剂的情况下，在较低温度下制备超长SiC纳米线。
本发明的有益效果是：
本发明通过对硅粉的氧化，使得硅粉表面包覆一层非连续的非晶SiOx氧化层，在纳米线合成过程中表面的非晶态的氧化层更容易与Si反应生成SiO气体，同时非连续的氧化层使得生成的SiO更容易溢出，从而大大提高SiO气体浓度，使得纳米线更容易生长；本发明通过精准控制纳米线合成温度在非晶层结晶温度以下，避免表面氧化层结晶，非晶态氧化层更容易与Si反应放出SiO气体，因而可以在较低温度下得到SiC纳米线；本发明通过硅粉在较低温度下氧化处理，再经过煅烧即可得到SiC纳米线，生产工艺简单，制备时间短，对原材料、设备和过程要求宽松，操作简单且成本低；本发明以石墨基板为碳源与衬底，所得纳米线不含金属催化剂与硅源，因此不需要酸洗干燥，大大降低生产成本与周期；本发明所得SiC纳米线表面平滑整洁，形貌均一，直径为20～200nm，长度在微米级别，具有较高的长径比。
本发明用于制备SiC纳米线。
附图说明
图1为实施例一制备得到的SiC纳米线粉体的扫描电镜图；
图2为实施例一制备得到的SiC纳米线粉体的XRD图；
图3为实施例一制备得到的SiC纳米线粉体的扫描电镜图；
图4为实施例二制备得到的SiC纳米线粉体的XRD图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，方法按以下步骤进行；
一、硅粉氧化：
将硅粉放入盛有蒸馏水的高压反应釜内，然后调节高压反应釜温度为80～150℃，保温进行硅粉氧化处理，随后烘干，得到干燥的粉体；
二、SiC纳米线合成：
将步骤一中得到的粉体放入石墨坩埚中，加盖石墨盖，放入气氛烧结炉内，抽真空；再将氩气充入气氛烧结炉；然后将气氛烧结炉升温至1000～1300℃保温，然后冷却至300～600℃，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到SiC纳米线粉体，完成制备。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述氧化处理时间为0.5～24h。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的硅粉为工业硅粉，平均直径为500nm～5μm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一控制干燥温度为50～70℃。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述石墨坩埚材质为电极石墨、高纯石墨、渗碳石墨和抗氧化石墨中的一种或其中几种的任意组合；石墨盖与石墨坩埚的材质相同。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二所述抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1～0.3Pa。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二充入氩气控制气氛烧结炉内气体初始压强为-0.2～1MPa，然后关闭氩气阀开始升温。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中控制升温速率为5～20℃/min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二所述保温时间为0.5～6h。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二控制冷却速率为1～10℃/min，冷却至300～600℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行；
一、硅粉氧化：
将5微米硅粉放入盛有蒸馏水的高压反应釜内，然后调节高压反应釜温度为150℃，保温6h进行硅粉氧化处理，随后控制烘干温度为60℃进行烘干，得到干燥的粉体；
二、SiC纳米线合成：
将步骤一中得到的粉体放入石墨坩埚中，加盖石墨盖，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.3Pa；再将气氛烧结炉内充入氩气，气氛烧结炉内气体初始压强为0.3MPa；然后控制升温速率为10℃/min，将气氛烧结炉升温至1300℃保温2h，然后控制炉体冷却速率为5℃/min，将炉体冷却至600℃，再随炉冷却至室温，开炉即得到SiC纳米线粉体，完成制备。
步骤二所述石磨盖材质为高纯石墨。
本实施例制备得到的SiC纳米线粉体的扫描电镜图如图1所示，从图中可以看出SiC纳米线表面光洁，成线率高于90％，直径分布在20～200nm，以100～120nm为主，长径比远高于10:1。
本实施例制备得到的SiC纳米线粉体的XRD图如图2所示，可看出图中只观察到SiC的特征峰，并未出现如硅或碳等其它杂峰，强而尖的峰表明纳米线具有高的结晶度。
实施例二：
本实施例一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行；
一、硅粉氧化：
将500nm硅粉放入盛有蒸馏水的高压反应釜内，然后调节高压反应釜温度为80℃，保温12h进行硅粉氧化处理，随后控制烘干温度为60℃进行烘干，得到干燥的粉体；
二、SiC纳米线合成：
将步骤一中得到的粉体放入石墨坩埚中，加盖石墨盖，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1Pa；再将气氛烧结炉内充入氩气，气氛烧结炉内气体初始压强为0.1MPa；然后控制升温速率为20℃/min，将气氛烧结炉升温至1100℃保温6h，然后控制炉体冷却速率为10℃/min，将炉体冷却至600℃，再随炉冷却至室温，开炉即得到SiC纳米线粉体，完成制备。
步骤二所述石磨盖材质为电极石墨。
本实施例制备得到的SiC纳米线粉体的扫描电镜图如图3所示，从图中可以看出SiC纳米线非常均匀，表面光洁，呈现平直形貌，长度为微米级，直径小于200nm，长径比远高于10:1。
本实施例制备得到的SiC纳米线粉体的XRD图如图4所示，可看出图中只观察到SiC的特征峰，并未出现如硅或碳等其它杂峰，表明所得SiC纳米线具有高纯度特点。

Claims (7)

1.一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行；
一、硅粉氧化：
将硅粉放入盛有蒸馏水的高压反应釜内，然后调节高压反应釜温度为80~150℃，保温6~12h进行硅粉氧化处理，随后烘干，得到干燥的粉体；硅粉平均直径为500nm~5μm；
二、SiC纳米线合成：
将步骤一中得到的粉体放入石墨坩埚中，加盖石墨盖，放入气氛烧结炉内，抽真空；再将氩气充入气氛烧结炉；然后将气氛烧结炉升温至1100~1300℃保温2~6h，然后冷却至300~600℃，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到SiC纳米线粉体，完成制备；
步骤二中控制升温速率为5~20℃/min。
2.根据权利要求1所述的一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于步骤一所述的硅粉为工业硅粉。
3.根据权利要求1所述的一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于步骤一控制干燥温度为50~70℃。
4.根据权利要求1所述的一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于步骤二所述石墨坩埚材质为电极石墨、高纯石墨、渗碳石墨和抗氧化石墨中的一种或其中几种的任意组合；石墨盖与石墨坩埚的材质相同。
5.根据权利要求1所述的一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于步骤二所述抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1~0.3Pa。
6.根据权利要求1所述的一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于步骤二充入氩气控制气氛烧结炉内气体初始压强为-0.2~1MPa，然后关闭氩气阀开始升温。
7.根据权利要求1所述的一种高效低成本制备超长SiC纳米线的方法，其特征在于步骤二控制冷却速率为1~10℃/min，冷却至300~600℃。
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