[发明专利]超疏水性SiC纳米纤维的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料技术领域的方法，具体是一种超疏水性SiC纳米纤维的合成方法。

背景技术

超疏水性能表面是指像荷叶一样具有自清洁功能的表面，因而在许多领域具有重要应用，比如各种玻璃、雷达、天线等各种需要防潮功能的材料。具有超疏水表面材料的应用可以为人类节省清洁费用和时间，可以借助雨水的作用自动清洗表面，特别是在一些高危险场合比如摩天大楼玻璃的清洗。目前人们对于各种有机物等材料进行了各种各样的疏水性能研究。具备接触角大于150度的超疏水性一般需要两个基本条件，一是材料表面有一定的粗糙度，二是表面自由能比较低。一维纳米材料由于其特殊的几何构造，表面具备一定的粗糙度，从而满足了疏水性的要求，因而包括纳米碳管、纳米硅线等一维纳米材料已经被研究用于超疏水性能。作为宽禁带宽度的SiC纳米纤维，由于其高的机械强度，高的热传导性，在高温、高频等恶劣环境下显示出良好的应用潜能，特别是在超硬材料增强剂和场发射性能方面，被普遍认为是一种极具潜力的纳米材料。因此，一维SiC纳米纤维在各个领域中的研究被广泛展开。但是人们对于SiC纳米纤维在超疏水性能方面，还没有开始研究。同时，对于具有降低表面自由能作用的含氟有机物，已经被用于多种超疏水性材料表面，而在一维SiC纳米纤维表面，还没有被应用研究。

经对现有技术的文献检索发现，没有发现有研究者对SiC纳米纤维进行超疏水性研究，只是对其它一些一维纳米材料进行了疏水性研究。比如Y.Coffinier等在《Langmuir》(《兰格缪尔》)2007年第23期第1608-1671页上发表的“Preparation of superhydrophobic silicon oxide nanowire surfaces”(制备超疏水性SiO₂纳米纤维表面)，该文中提出在SiO₂纳米纤维表面镀一层含氟有机物，从而得到接触角为150度的疏水表面。其不足在于：制备程序复杂，成本较高，而且疏水性能不是很高。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，使其合成出超疏水性SiC纳米纤维，可以简单易行的在硅基底上大规模合成接触角大于150度的超疏水性SiC纳米纤维。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以惰性气体氩气为保护气体及载气，以ZnS粉末为选择性辅助剂，在硅片上生长成SiC纳米纤维，再在合成出的SiC纳米纤维表面蒸镀一层全氟硅烷，从而使SiC纳米纤维具备良好的疏水性能，得到接触角高于150度的超疏水性能SiC纳米纤维样品。

本发明包括具体步骤如下：

第一步，将硅片(底端包含或者不含ZnS粉末)放入石英管式炉中央，碳固态碳材料被固定在石英管一侧；

第二步，将炉体温度升高到1100℃，在温度达到250℃时，通入惰性气体氩气；

第三步，在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量SiC纳米纤维；

第四步，将得到的SiC纳米纤维和全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，进行蒸镀反应，得到具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品。

第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，把碳固态碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧，如果不在硅片底端添加ZnS粉末，则可以得到无序大尺寸纳米SiC纤维；如果在硅片底端添加ZnS粉末，则可以得到有序小尺寸SiC纳米纤维结构。

第二步中，所述的将炉体温度升高到1100℃，升温速率为15℃/min。

第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为15l/h。

第三步中，所述的反应持续进行，持续时间为2-4小时。

第四步中，所述的全氟硅烷体积为0.05-0.2ml，蒸镀反应温度为150度，反应时间3.0小时。

本发明通过调整是否加入ZnS粉末，来控制形成SiC纳米纤维材料的结构。加入ZnS是为SiC的成核提供更多机会，能促使有序阵列的形成；而不加ZnS则会导致无序纳米SiC纤维，而且样品直径较大，结晶度较差。加入惰性保护气体氩气的目的主要是把CO气体带到硅片表面并与之反应。蒸镀一层全氟硅烷有机物是为了降低表面自由能，从而使疏水性能提高，接触角大于150度，而一般物体没有超疏水性，接触角只有几十度。