[发明专利]一种制备纳米碳化硅晶须的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种制备纳米晶须的方法，具体地说涉及一种以石墨烯为碳源制备纳米碳化硅晶须的方法。

背景技术

碳化硅晶须具有低密度(3.21g/cm³)、高熔点(>2700℃)、高强度(抗拉强度为2100kg/cm²)、高模量(弹性模量为4.9×104kg/cm²)、低热膨胀系数及耐腐蚀等优良特性(宁叔帆，刘晓霞，马勇，陈寿田.SiC晶须制备方法[J].西安石油大学学报，2004,19(1):66-69.)，是制备高强高温复合材料的主要增强相之一，是目前已知所有可能作为晶须状材料中硬度和强度最高的品种(Eric W.W.,Paul E.S.,Charles M.L.Nanobeam mechanics:Elasticity,strength,and toughness of nanorods and nanotubes纳米力学：纳米棒与纳米管的弹性、强度及韧性[J].Science,1997,27:1971–1974.)。此外，碳化硅晶须稳定性高，与大多数金属不发生反应，可用于合成高硬度、高韧性、高耐磨性、抗高温蠕变、低膨胀系数的超强金属基复合材料，特别是在制备纳米光电子器件、高强度细小尺寸复合材料构件、表面纳米增强复合材料方面具有诱人的应用前景(吴艳军，蔡炳初，张亚非，吴建生.碳化硅纳米晶须的制备研究进展[J].电子元件与材料，2003，22(9)：41-44.)。

在现有制备方法中，发明专利《一种纳米碳化硅晶须的制备方法》(专利申请号：CN201210544139)以稻壳和炭黑为原料，以聚四氟乙烯为催化剂，通过自蔓延燃烧合成反应制备得到纳米碳化硅晶须，该反应的诱发设备复杂，且反应物的前期准备需要球磨机球磨及研钵研磨，不利于规模化生产。发明专利《一种合成纳米碳化硅晶须的方法》(专利申请号：CN201310023612)以纳米微晶纤维素为碳源，含硅化合物为硅源制备得到了碳化硅晶须，该方法的不足之处在于反应过程引入酸性催化剂，需要后期处理去除；且最终产物的晶须含量低，粒径不均匀，进而限制晶须的增强增韧效果。发明专利《一种SiC晶须的制备方法》(专利申请号：CN201210540660)以埃肯硅微粉为硅源，石墨为碳源，Na₃AlF₆为催化剂，在热压炉及真空碳管炉内进行高温煅烧，该方法需要两次抽真空、洗气等过程，操作复杂，不易控制。总之，目前已有制备碳化硅晶须的技术普遍存在晶须含量低、合成工艺复杂、直晶率低、能耗大等问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服已有碳化硅晶须制备方法的不足，提供一种晶须产率高、直晶率高、熔点高、强度大、热膨胀系数小、制备工艺简单易于实现工业化的纳米碳化硅晶须的制备方法。

本发明的制备方法，包括以下步骤：

(1)按石墨烯与硅粉的质量比为0.01-100：1混合均匀后，在保护气氛或真空保护下，以升温速率为1-15℃/min升温至1000-2400℃，恒温为10-200min进行烧结，烧结后以降温速率为1-15℃/min降温至室温；

(2)高温反应结束后，取出样品在空气中于400-1200℃下煅烧，煅烧时间为5-300min，将煅烧后的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，氢氟酸与盐酸的摩尔比为0.5-10:1，混合酸处理时间为1-48h；

(3)将步骤(2)得到的产物，用去离子水洗涤至pH=7后进行干燥处理，得到纳米碳化硅晶须。

所述的石墨烯是通过机械剥离法、加热SiC法、石墨插层法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法制备得到的石墨烯，或者由上述方法制备的石墨烯组装而成的二维及三维石墨烯宏观体。

所述的硅粉为单晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅。

所述保护气氛为氮气、氩气、氦气、氨气或氢气。

所述的制备过程不需要添加任何催化剂。

所述的干燥处理可以为在30-300℃下进行真空干燥，真空干燥时间为0.5-72h，也可以为-10～-50℃下进行冷冻干燥，冷冻干燥时间为10-48h。

本发明所制备的纳米碳化硅晶须是一种晶须含量在95%以上的高强、高纯纳米增强增韧功能材料，结合了石墨烯堆积密度低、比表面积大的特点，极大降低了反应驱动力，无需添加催化剂，后期处理简单，易于实现工业化，可作为增强、增韧、耐磨、耐腐蚀、耐高温材料，广泛应用于化工、国防、能源、电子等领域。

本发明与现有技术相比具有下述特征和优点：