[发明专利]一种碳化硅纳米晶须的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化硅纳米材料技术领域。尤其涉及一种碳化硅纳米晶须的制备方法。

背景技术

碳化硅晶须（SiC_w）是一种直径为纳米至微米级的高纯单晶材料，具有高熔点（>2700℃）、低密度、抗拉伸强度优异（拉伸强度为2100MPa）以及良好的比强度和比弹性模量的力学性能，被广泛用作各种高性能材料的补强增韧添加剂，应用于航空航天、国防和民用工业中（宁叔帆．SiC晶须制备方法及应用．西安石油大学学报，2004，19（1））。

目前，所有SiC晶须的制备工艺主要包括两种：气相反应法和固体材料法，（郝斌．SiC晶须制备方法研究进展[J]．陶瓷，2010，（9）：11-13）。气相反应法是利用含有碳和硅的气体反应生成碳化硅晶须，或用能够分解成含碳和含硅的气体或有机物来生成晶须。化学气相沉积法（CVD法）是一种化学气相法应用最为广泛的方法。固体材料法是利用载气通过含碳和硅的混合材料，在合适的温度下生成SiC_w的方法。固体材料法主要包括Si₃N₄转化法、炭热还原法等，其中炭热还原法应用广泛。但无论哪种方法制备的碳化硅晶须都使用了不同种类的催化剂，这些催化剂的加入大大影响了碳化硅晶须的纯度，限制了其更广泛的应用。温广武等人以四氯化硅（SiC1₄）、苯甲醛（PhCHO）、烷基胺（RNH₂）和三氯化硼（BCI₃）为原料，通过气压合成法在不使用催化剂的条件下在材料表面制备了大量结晶性良好的β-SiC纳米晶须（温广武等．从SiBONC陶瓷粉体中生长β-SiC纳米线．稀有金属材料与工程，2008，37（3）：561-564），制备的碳化硅纳米晶须直径为20~200nm，平均长度为1mm左右，但气压合成法所采用的原料具有较大的毒性和腐蚀性，且反应条件比较苛刻，β-SiC纳米晶须制备成本较高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种无需催化剂参与的碳化硅纳米晶须的制备方法，用该方法制备的碳化硅纳米晶须纯度高、长径比大和易于收集。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、硅掺杂沥青或硅掺杂树脂的制备

按固液质量比为1︰(1~3)，将粉碎后的沥青或树脂溶于有机溶剂中，静置6~8h，过滤，将过滤后的滤液在120~150℃条件下蒸馏，即得到沥青有机溶剂可溶组分或树脂有机溶剂可溶组分。

将10~40wt%的有机硅与60~90wt%的沥青有机溶剂可溶组分混合或将10~40wt%的有机硅与60~90wt%的树脂有机溶剂可溶组分混合，得到沥青混合物或树脂混合物，再按固液质量比为1︰(1~3)，将沥青混合物或树脂混合物溶于有机溶剂中，搅拌2~3h，得到沥青有机溶剂可溶组分的混合液或树脂有机溶剂可溶组分的混合液。

将所述沥青有机溶剂可溶组分的混合液或树脂有机溶剂可溶组分的混合液移至反应釜中，在惰性气氛和搅拌条件下，以2~10℃/min的速率升温至250~450℃，保温2~6h；然后停止搅拌，在惰性气氛中自然冷却，得到硅掺杂沥青或硅掺杂树脂。

步骤二、硅掺杂沥青基炭材料或硅掺杂树脂基炭材料的制备

将装有硅掺杂沥青或硅掺杂树脂的石墨坩埚置于炭化炉中，在惰性气氛保护下，以2~10℃/min的速率升温至700~900℃，保温1~3h，自然冷却，即得硅掺杂沥青基炭材料或硅掺杂树脂基炭材料。

步骤三、碳化硅纳米晶须的制备

将硅掺杂沥青基炭材料或硅掺杂树脂基炭材料研磨至粒径为20~50μm，加入模具中，机压成型，脱模；再将装有脱模后坯体的石墨坩埚置于炭化炉中，在惰性气氛保护下，以2~10℃/min的速率升温至1200℃~1800℃，热处理1~3h，自然冷却，即得碳化硅纳米晶须。

所述沥青为石油沥青或煤沥青。

所述有机硅为聚碳硅烷、聚二甲基硅烷和氯代三甲基硅烷中的一种。

所述有机溶剂为甲苯或二甲苯。

所述机压是指在90~190MPa条件下保压2~5min。

所述搅拌的转速为200~500r/min。

所述惰性气体为氩气或为氮气。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明以沥青机溶剂可溶组分或树脂有机溶剂可溶组分为炭源，以有机硅为硅源，原料对环境无污染，无需添加催化剂，在炭材料表面制得大量的碳化硅纳米晶须纯度高。