[发明专利]一种SiC纳米线装饰层状多孔陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷，特指由SiC纳米线装饰层状多孔SiOC陶瓷的制备方法，以滤纸为模板，有机硅树脂为高分子前驱体，通过原位反应合成了由SiC纳米线装饰的层状多孔陶瓷，该方法制备工艺简单，成本较低，合成的SiC纳米线生长在层状多孔陶瓷中，有效提高了多孔陶瓷的性能指标。

背景技术

近年来，多孔材料成为材料科学领域中一类倍受关注的新型材料，多孔材料具有良好的耐高温、抗热震、高强度、化学稳定性高和比表面积等优异性能，在冶金、化工、环保和能源等领域具有广阔的应用前景，如用作高温气体净化器、过滤器、热交换器、尾气处理器、催化剂载体、光电器件、传感器等。先驱体转化法是将有机先驱体，如聚硅氧烷(PSO)、聚碳硅烷(PCS)、聚硅氮烷(PSZ)转化成无机陶瓷或复合材料，如SiOC、SiC、SiCN、SiC/Si₃N₄等陶瓷的方法，并且可以通过加入活性填料(如Al、Fe、Ti、Si)或惰性填料(如SiC、Si₃N₄、SiO₂、BN、AlN)合成所需组成与结构的先驱体，进而实现对最终材料的组成、结构与性能设计。采用先驱体转化法制备多孔陶瓷具有制备温度低、陶瓷组成和结构可设计、复杂构件易成型等优点，该方法已成为制备多孔陶瓷的一种新方法。在众多含硅陶瓷前驱体中，由于聚硅氧烷价格低廉，制备工艺简单且已经商业化，所以受到广泛的研究与运用。聚硅氧烷高温裂解后的产物主要为硅氧碳化物，其结构表达式通常为SiO_xC_4–x (0≤x≤4)，可以简化为SiOC；同时，陶瓷前驱体在适当条件下能合成碳化硅纳米材料，如纳米线、纳米电缆、纳米管、纳米针等，且这些纳米材料能装饰在多孔陶瓷的多孔结构中。由于碳化硅纳米材料具有良好的性能，如高温强度、化学稳定性、抗热震性和场发射特性，也可用作陶瓷、金属、高分子基复合材料的增强相，纳米材料的装饰赋予多孔陶瓷分级多孔结构的特征，且表现出更优异的吸附性能（较高的比表面积），文献“Growth of One-Dimensional Nanostructures in Porous Polymer-Derived Ceramics by Catalyst-Assisted Pyrolysis. Part II: Cobalt Catalyst, 2010, 93(11): 3709-3719”介绍了以聚碳硅烷为先驱体制备了SiC纳米线和Si₃N₄纳米线装饰的多孔陶瓷，该材料具有较高的比表面积，目前，由纳米材料装饰多孔陶瓷的研究报道较少，本发明以滤纸为模板，有机硅树脂为前躯体，热压后烧结制备得到SiC纳米线装饰层状多孔SiOC陶瓷。

发明内容

本发明的目的在于制备了一种具有SiC纳米线装饰的多孔SiOC陶瓷，该方法工艺简单、成本较低、生长在多孔结构中的SiC纳米线使多孔陶瓷具有分级多孔结构，能提高多孔陶瓷的吸附性能，本发明的步骤如下：

（1）将高分子前驱体有机硅树脂溶解于二甲苯溶液中并超声振荡至均匀混合；

（2）将上述混合均匀的有机硅树脂溶液浸渍入滤纸中，并在80-120℃下固化；

（3）将固化的滤纸压制成试样；

（4）将压制成型的试样在Ar气氛中高温烧结：烧结起始温度为50℃，以5℃/min的速度升至150℃，保温15min后；以2℃/min的速度升温至400℃保温30min；再以5℃/min 的速度升温至1200℃-1400℃保温后冷却至室温。

步骤（2）中所述的有机硅树脂与滤纸的质量比为2：1，固化时间为10-20小时；

步骤（3）中所述压制试样的方法为：在80-110℃，40MPa下预压5min后保压15min；

步骤（4）中所述升温至1200-1400℃后的保温时间为3-5h，整个烧结过程中的Ar气流量为0.1-0.5L/min。

通过本方案的实施，本发明的优点在于以有机硅树脂为前驱体，滤纸为模板，热压后烧结制备了多孔SiOC陶瓷，该方法成本较低，烧结温度低，工艺简单；且多孔陶瓷能保留滤纸纤维的形貌，同时，大量的SiC纳米线装饰在多孔结构和层状通道间，SiC纳米线产量与烧结温度、滤纸和有机硅树脂的质量比、Ar气流速有关，温度越高或原料配比中有机硅树脂含量较高时、或气体流量较大时都能使获得的纳米线越多，产率越高，从而使多孔陶瓷具有分级多孔结构，SiC纳米线的形成使多孔陶瓷具有更优异的吸附性能。

附图说明