[发明专利]低密度SiC纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高性能无机功能材料制备领域，具体涉及一种低密度SiC纳米纤维及其制备方法。

背景技术

一维纳米材料具有独特的性能和广阔的应用前景，近年来已经发展成为功能材料领域的一个重要分支。目前，合成一维纳米材料的方法众多，制备出的形貌不胜枚举，如纳米纤维、纳米线、纳米带、纳米管等。在种类繁多的合成方法中，静电纺丝技术（一个基于静电作用的过程）脱颖而出成为了人们研究的重点之一。静电纺丝制备的一维纳米纤维是基于一种聚合物溶液或熔体粘弹射流的单轴拉伸。这种方法类似于工业上制备微米级纤维的机械拉伸技术。相对于这种技术，通过外部电场力作用控制流体拉伸的静电纺丝技术更适合于制备更小直径的一维纳米材料。静电纺丝技术的特点是工艺简单、可连续、批量制备、效率高、成本低，而且所制备出来的纤维直径分布均匀、长度较长、机械性能好。

碳化硅(SiC)具有高温强度高、抗氧化性强、耐磨性好、热稳定性好、热膨胀系数小、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，被广泛应用于化工、冶金和建材等行业。其中SiC纤维是SiC材料应用的主要形式之一。SiC纤维的制备方法通常有化学气相沉积法(CVD)、微粉烧结法(PS)、碳热还原法(CR)和先躯体转化法(PD)。这些方法的制备SiC产物长度有限、产率低，工艺相对复杂，且催化剂会引入杂质相。

CN100515941C公开了一种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纳米纤维的方法。后续再在合成出的SiC纳米纤维表面蒸镀一层全氟硅烷，从而得到接触角高于150度的超疏水性能SiC纳米纤维样品，但这种方法合成出来的SiC纳米纤维量较少，而且采用选择性辅助剂可能在制备过程中引入一些杂质。

CN101104515A公开了一种SiC纳米线及其制备方法。专利中采用工业硅粉50wt%~75wt%和石墨粉25wt%~50wt%混合后经氩气气氛烧结而成。产物为单晶相β-SiC纤维，粗细均匀，直径主要分布在30-150纳米。发明中选取工业硅粉和石墨粉作为原料，成本低廉，过程简便，易于操作。但此方法不但要求较高的煅烧温度，还在反应体系内保持了一定的压力，对反应设备提出了耐高温高压的要求。

CN100467373C公开了一种碳热还原含碳量10~60wt%的SiO₂凝胶粉末制备超长碳化硅纳米纤维的方法。专利中制备SiC纳米纤维的方法通过对炉内气体压强的调整使反应物SiO₂和CO分子的浓度增大，使产物纯度高，为单晶相，纳米线粗细均匀，直径分布在30~300纳米之间，长度达到毫米数量级。此方法简单便捷，但是需要的烧结温度为1400-1900℃之间，温度过高，一般很难满足这样的温度要求。

CN1569626A公开了一种制备碳化硅纳米纤维的方法。利用酚醛树脂、稀土金属(硝酸盐/醋酸盐/氯化物）、正硅酸乙酯在室温下水解得到碳硅二元溶胶；再加入六次甲基四胺，干燥得到干凝胶；将干凝胶在氩气保护气氛下，升温至1200－1400℃反应后，冷却至室温，将反应产物在空气中氧化；再依次用硝酸和氢氟酸除去未反应的稀土金属氧化物和二氧化硅，最后经水洗、过滤、烘干，即可得到碳化硅纳米纤维。此发明具有本发明方法简单，易操作等优点。但是使用稀土金属盐作为纳米纤维的生长助剂，稀土金属可能在反应过程中进入SiC晶格，导致杂原子的引入。

US5759908公开了一种在半导体-绝缘体（SOI）复合基底上制备SiC薄膜的方法。专利中通过碳化硅-二氧化硅复合基底，将二氧化硅层转化为SiC，合成过程中涉及化学气相沉积方法（CVD），利用含有硅的环丁烷气体增加SiC薄膜的厚度，也可以利用CVD方法在SiC薄膜上沉积其他半导体材料。CVD方法为薄膜材料制备中常用的方法，但此方法对体系内真空度的要求很高，仪器复杂，操作不易。

以上报道的发明不同程度的存在反应过程中温度较高，对仪器设备要求过高，可能引入其他杂质等问题。因此，与以上发明相比较，本发明的优势在于制备过程温度相对较低，各步骤操作简单易行，而且得到密度低且尺寸均一的SiC纳米纤维。由于低密度SiC纳米纤维具有大的长径比，直径均匀，在SiC能够运用到的各个领域都有着重要应用价值。

发明内容