[发明专利]多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡及其制备方法

说明书

本发明提供一种多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡及其制备方法，包括以下步骤：(1)配制纺丝溶液：将聚苯乙烯、聚碳硅烷、乙酰丙酮镍、二甲苯和二甲基甲酰胺混合，磁力搅拌，得纺丝溶液；(2)静电纺丝；(3)预氧化：在空气气氛下预氧化；(4)热解：将预氧化的纳米纤维毡在惰性气氛下热解，得到最终的多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡。所制得的多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维，纤维直径大小为300～400nm，内部的纳米棒直径为10～30nm。纳米纤维内部为贯穿结构，作为催化剂载体有利于介质穿过，在其他方面也有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及陶瓷纤维毡技术领域，具体的涉及一种多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡及其制备方法。

背景技术

碳化硅是第三代半导体材料，具有强度高、耐酸碱腐蚀、耐高温、抗氧化、击穿电压高、电子饱和漂移速度快、热导率高、介电常数小、抗辐射能力强等诸多优异的物理化学性能，是制备极端环境(高温、高频、高功率、辐射)中使用器件的理想材料之一，可广泛应用于石油钻井、航天飞行器、雷达、火箭、战斗机、导弹和海洋勘探等各个领域。近年来，随着纳米技术的长足发展，关于微纳米碳化硅的制备及其功能化的研究引起了越来越多的关注。微纳米SiC不仅具有上述优异的理化性能，还拥有更高的比表面积，在电化学超级电容器、光催化分解水产氢、高温传感器和电催化醇氧化等功能性应用方面也表现出了较高的活性和优异的稳定性。聚碳硅烷通过先驱体转化法可以在高温下分解为碳化硅，Choi等人(Choi.S,Youn.D,Jo.S,Oh.S and Kim.I,Micelle-Mediated Synthesis of Single-Crystallineβ(3C)-SiC Fibers via Emulsion Electrospinning,ACS AppliedMaterials&Interfaces,2011,3,1385-1389.)通过乳液静电纺丝聚碳硅烷制备了直径为200-350nm的碳化硅纤维，所制得的纳米纤维毡在高温柴油过滤中有应用潜力。

当碳化硅应用于电化学超级电容器、高温气敏传感器以及催化剂载体上时，需要提高碳化硅的介质传输能力，并需要其能提供更多的活性位点。静电纺丝法制备的纳米纤维构成的三维立体网状结构具有优异的介质传输能力和较高的比表面积，而对于如何进一步提高纳米纤维的介质传输能力并未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡及其制备方法，该发明解决了现有技术中所得纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡的活性位点位置隐蔽，纤维毡结构比表面积较低，缺乏三维立体网状结构，介质传输能力较低技术问题。

本发明提供的一方面提供了一种多级纳米结构碳化硅或氮化硅纤维毡的制备方法，包括以下步骤：对纺丝溶液依序进行静电纺丝、预氧化和热解得到具有多级纳米结构的碳化硅纤维毡或氮化硅纤维毡；纺丝溶液由聚苯乙烯、聚碳硅烷、乙酰丙酮镍、二甲苯和二甲基甲酰胺按质量比为3:8～20:0.2～2:30～50:50～70混合而成；热解温度为1350～1450℃。

进一步地，纺丝溶液由聚苯乙烯、聚碳硅烷、乙酰丙酮镍、二甲苯和二甲基甲酰胺按质量比为3:10:0.5：30～50:50～70混合而成。

进一步地，纺丝溶液混合条件：在转速为600～800转/分下磁力搅拌10～16小时。

进一步地，静电纺丝包括步骤：对纺丝溶液进行静电纺丝，收集原纤维毡；静电纺丝的工艺参数：采用内径为0.5～1.5mm的金属针头作为喷头，纺丝电压为10～16kV，针尖到接收屏的垂直距离为10～25cm，供料速率为5～30μL/分钟，纺丝温度为15～35℃，空气相对湿度为20～40RH％。

进一步地，静电纺丝工艺参数：纺丝电压为11-14kV，针尖到接收屏的垂直距离为15～20cm。

进一步地，预氧化包括步骤：在空气气氛下对原纤维毡以0.5～3℃/分钟的速率升温至190～250℃，再保温1～3小时，得到预氧化纤维毡。