[发明专利]一种闭合环状二氧化硅纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种闭合环状二氧化硅纤维的制备新方法，涉及发光材料、电子材料。

技术背景

低维系统材料是目前先进材料研究非常重要的研究领域之一。准一维纳米结构材料(1D Materials)，诸如纳米线或纳米管，己经被成功地大量合成，并且由于其具有一系列的传统材料所没有的、新颖的物理和化学特性，如小尺寸效应、量子效应、表面效应以及宏观量子效应等，从而使得准一维纳米结构材料具有奇异的光、电、磁、热及催化等性能，因此其具有很重要的基础研究意义而且在未来纳米器件上有潜在应用，使得各国科学家非常关注并积极参与该领域的研究工作。现在关于准一维纳米结构材料的研究主要集中在探索用不同方法来大量制备不同组成的纳米线或纳米管，以及研究其相关性能，比如激光烧蚀法，模板法，溶液法，以及其它方法。另外，研究者在利用各种电镜设备研究单根纳米线或纳米管的性能方面也取得了重大进展，比如测量单根纳米碳管的电学、力学性能，半导体纳米线的光致发光性能等等。

非晶氧化硅既可以用于集成电路的钝化层和绝缘层，也可以作为一种光致发光材料和光缆材料。自从1990年多孔硅的室温强可见光发射被发现，使人们看到了含硅材料被用于光子学光源的可能性，此后人们相继报道了氧化硅块材和薄膜的光致发光现象，发光峰峰值分别为1.9，2.1，2.7，3.1，3.4-3.5和4.5eV，由此可见它是一种发光范围很广的发光材料。另外与传统体氧化硅相比，纳米SiO₂光学纤维具有光的传输损耗小等特点，非常适用于制作各种纳米光及光集成器件，并且在物理、化学、生物及材料等研究方面具有相当的应用前景。

目前，纳米级氧化硅材料的研究主要集中在氧化硅粉体的制备和应用上，一般制备的氧化硅因表面欠氧而偏离了稳态的硅氧结构，故分子式为SiO_x。纳米SiO_x由于表面严重的配位不足、大的比表面积以及表面欠氧等特点，使其表现出极强的活性，很容易和环氧环状分子的氧起键合作用，提高了分子间的键力，可以作为树脂基复合材料的增强剂，使环氧树脂材料的强度、韧性、延展性均大幅度提高；另外，氧化硅在电子封装材料、涂料、药物载体和化妆品抗辐射材料上有很好的应用前景。随着科学向介观领域发展和集成光学技术的不断进步，纳米及微米尺寸的光学纤维制备显得尤为重要，氧化硅纤维具有很好的光发射特性，有望在扫描近场光学显微镜和集成光学器件的连接上得到应用。

目前氧化硅一维纳米结构材料的合成方法主要有：激光烧蚀法、碳热还原法、溶胶-凝胶法、催化热分解法和化学气相沉积法。由于低维纳米结构材料的性质与其形貌特征密切相关，不同材质的一些新型形貌不断被制备出来。其中需要特别指出的是氧化硅可以形成许多新颖的形貌。例如：Sun等人采用Sn为催化剂得到了水母状和樱桃状SiO_x结构。Zhang等人以Fe为催化剂，通过高温加热SiO₂/Si的混合物得到了无定形螺旋状SiO₂“纳米弹簧”。Zhu等人在高温下用Co和Fe作催化剂分别制备了SiO₂纳米花和SiO₂包裹的β-SiC纳米线。Wang等人利用In做催化剂，长出了大量整齐排列且具有“Y-形状”的氧化硅纳米光缆线。Pan等人以液态Ga为催化剂获得了五种不同形貌的SiO₂：鱼骨状、葫芦状、纺锤状、羽毛球状和章鱼状。其它形貌的氧化硅如彗星状、树枝状、蝌蚪状等形貌也已有报道。以上这些形貌的形成与金属催化剂的存在密切相关，并且可以用气-液-固机理解释其生长现象。这些有趣的形貌也显示了在催化剂存在下，氧化硅生长的多样性。然而，利用气-液-固生长模式制备氧化硅一维纳米结构也有一定的缺点和局限性：(1)需要形成弥散的、纳米级的、具有催化效应的低熔点合金液滴，这些合金液滴通常是金属催化剂和被制备材料之间作用形成的，在气-液-固生长过程中起着非常重要的作用。常用催化剂一般为过渡金属及其合金；(2)在产物中引入了金属催化剂成分，造成产物不纯净。我们知道纯净、大量准一维纳米材料的获得是测量其性能的前提和基础条件。为了给测量单根闭合环状二氧化硅纤维的光学性能奠定一定的基础，因此将合成纯净的二氧化硅纤维作为本发明的重点。

发明内容

本发明的目的在于制备一种纯净的闭合环状二氧化硅纤维，在不使用任何催化剂的情况下，可得到连续闭合环状和不连续闭合环状两种SiO₂形貌，其可以用作复合材料的增强相以及在集成光学器件的连接上、光学领域都有潜在的应用前景。

本发明的主要内容是：