專利名稱：以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種SiC納米線的制備方法，尤其是涉及一種以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法。
背景技術：
一維半導體納米材料由于其重要的物理和化學性質，已經引起了人們廣泛的關注。SiC納米線作為第三代寬禁帶半導體材料，具有高硬度、高熱導率、高擊穿電場、高電子遷移速率和強抗氧化性等特點，在納米光電子器件、納米場發射器件、納米復合材料、超疏水器件、新型能源材料和催化方面有著廣泛的應用前景。因此，研究探索高效制備SiC納米線的方法，大規模高產量制備SiC納米線，對于實現SiC納米線的工業化生產有著重要的意義。SiC納米線的制備方法有很多種，如碳納米管模板法、電弧放電法、電阻加熱蒸發法、氧化物輔助生長法、浮動催化劑法和化學氣象沉積法等。但由于上述制備方法大多數需要較高的溫度或者催化劑輔助，使得其制備成本大量提高，而且納米線的產率很低。
發明內容
為了提高SiC納米線的產率，本發明的目的在于提供一種以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，以工業可膨脹石墨為碳源，分別與硅粉、二氧化硅粉為硅源或正硅酸乙酯為硅源，通過碳熱還原法和溶膠凝膠法大規模制備SiC納米線。本發明是通過以下技術方案實現的，具體步驟如下
技術方案一
本發明采用可膨脹石墨為碳源，硅粉和二氧化硅粉為硅源，將碳源和硅源混合并研磨均勻后置于石墨坩堝中，并裝好原料的石墨坩堝放入高溫氣氛箱式爐內，抽真空并充入保護氣體；升溫到1300 1800°C，保溫燒結2 8h，整個制備過程中爐內壓強低于IMPa ;隨爐自然冷卻至常溫，開爐即得SiC納米線。所述的硅源和碳源的原料質量分數百分比可膨脹石墨占總質量的比例為5. 29Γ57. 7%、硅粉占總質量的比例為質量分數百分比為13. 59Γ30. 2%，二氧化硅粉占總質量的比例為質量分數百分比為28. 89Γ64. 6%的混合物。所述的硅粉和二氧化硅粉為硅源制備的SiC納米線為β-SiC納米線，直徑為l(Tl00nm，宏觀表現為墨綠色粉末。技術方案二
本發明采用可膨脹石墨為碳源，正硅酸乙酯為硅源，將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入可膨脹石墨，磁力攪拌配制混合凝膠，凝膠在700C干燥4小時，再升至90°C干燥4小時，再升至110°C干燥4小時，研磨成粉狀置于石墨坩堝中并放入高溫氣氛箱式爐內，抽真空并充入保護氣體；升溫到1300 1800°C，保溫燒結2 8h，整個制備過程中爐內壓強低于IMPa ;隨爐自然冷卻至常溫，開爐即得SiC納米線。、
所述的正硅酸乙酯可膨脹石墨的摩爾比為I :0. 2 5，正硅酸乙酯無水乙醇水的摩爾比為I :0. 86 :4，草酸稀釋至O. 01mol/L。所述的正硅酸乙酯為硅源制備的SiC納米線為β -SiC納米線，直徑為5(T500nm，宏觀表現為淺綠色或灰白色棉花狀物質。本發明具有的有益效果是
本發明以可膨脹石墨為碳源，當溫度到達250°c以上時，可膨脹石墨經層間化合物分解、汽化，產生大量的氣體，一部分氣體沿層隙外泄，由于受阻產生高壓而將石墨沿C軸方向推開，從而使石墨沿軸方向發生膨脹。此時將為SiC納米線的生長提供充足的生長空間，通過碳熱還原法和溶膠凝膠法，實現了一種高產率制備SiC納米線的方法，使其具有低能源消耗低成本、工藝簡單、無污染、無需催化劑等優點。
圖I是本發明所述以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法實施例I的產物的 掃描電鏡照片。圖2是本發明所述以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法實施例2的產物的掃描電鏡照片。
具體實施例方式實施例I :
本實施例以可膨脹石墨為碳源SiC納米線步驟如下
1、將質量分數百分比為21.4%可膨脹石墨、質量分數百分比為25%的工業硅粉和質量分數百分比為53. 6%的二氧化硅粉混合并研磨均勻置于高純度石墨坩堝中并放入高溫氣氛箱式爐內；
2、抽真空并充入保護氣體為氮氣，制備過程爐內壓強低于IMPa；
3、高溫氣氛箱式爐升至1500°C，保溫燒結6h；
4、隨爐自然冷卻至室溫，開爐即得墨綠色SiC納米線，如圖I所示納米線的直徑約IOOnm0實施例2:
本實施例以可膨脹石墨為碳源SiC納米線步驟如下
1、將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，正硅酸乙酯無水乙醇水的摩爾比為1:0.86:4，草酸稀釋至0.01!1101/1。然后加入可膨脹石墨，正硅酸乙酯可膨脹石墨的摩爾比為1:1;
2、磁力攪拌配制混合凝膠，凝膠在70°C干燥4小時，再升至90°C干燥4小時，再升至110°C干燥4小時；研磨成粉狀置于高純石墨坩堝中并放入高溫氣氛箱式爐內；
3、抽真空并充入保護氣體為氬氣，制備過程爐內壓強低于IMPa；
4、高溫箱式氣氛爐升至1500°C，保溫燒結6h；
5、隨爐自然冷卻至室溫，開爐即得淺綠色SiC納米線，如圖2所示納米線的直徑約IOOnm0實施例3:本實施例與實施例I不同在于步驟I中將質量分數百分比為5. 2%可膨脹石墨、質量分數百分比為30. 2%的工業硅粉和質量分數百分比為64. 6%的二氧化硅粉混合并研磨均勻；步驟3中溫度升至1300°C。其他步驟與實施例I相同。開爐即得墨綠色SiC納米線，直徑約為10nm。實施例4:
本實施例與實施例I不同在于步驟I中將質量分數百分比為8. 3%可膨脹石墨、質量分數百分比為29. 2%的工業硅粉和質量分數百分比為62. 5%的二氧化硅粉混合并研磨均勻；步驟3中溫度升至1600°C，保溫燒結2h。其他步驟與實施例I相同。開爐即得墨綠色SiC納米線，直徑約為50nm。實施例5:
本實施例與實施例I不同在于步驟I中將質量分數百分比為57. 7%可膨脹石墨、質量分數百分比為13. 5%的工業硅粉和質量分數百分比為28. 8%的二氧化硅粉混合并研磨均勻；步驟3中溫度升至1800°C，保溫燒結8h。其他步驟與實施例I相同。開爐即得墨綠色SiC納米線，直徑約為80nm。實施例6:
本實施例與實施例2不同在于步驟I中正硅酸乙酯可膨脹石墨的摩爾比為I :0. 2 ;步驟4中溫度升至1300°C。其他步驟與實施例2相同。開爐即得淺綠色SiC納米線，直徑約為 200nm。實施例7
本實施例與實施例2不同在于步驟I中正硅酸乙酯可膨脹石墨的摩爾比為I :2 ;步驟4中溫度升至1600°C，保溫燒結2h。其他步驟與實施例2相同。開爐即得灰白色SiC納米線，直徑約為300nm。實施例8:
本實施例與實施例2不同在于步驟I中正硅酸乙酯可膨脹石墨的摩爾比為I :5 ;步驟4中溫度升至1800°C，保溫燒結8h。其他步驟與實施例2相同。開爐即得灰白色SiC納米線，直徑約為500nm。
權利要求
1.一種以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，其特征在于采用可膨脹石墨為碳源，硅粉和二氧化硅粉為硅源，將碳源和硅源混合并研磨均勻置于石墨坩堝中并放入高溫氣氛箱式爐內，抽真空并充入保護氣體；升溫到1300 1800°C，保溫燒結2 8h，整個制備過程中爐內壓強低于IMPa ;隨爐自然冷卻至常溫，開爐即得SiC納米線。
2.根據權利要求I所述的以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，其特征在于所述的硅源和碳源的原料質量分數百分比可膨脹石墨占總質量的比例為5. 29Γ57. 7%、硅粉占總質量的比例為質量分數百分比為13. 59Γ30. 2%，二氧化硅粉占總質量的比例為質量分數百分比為28. 89Γ64. 6%的混合物。
3.根據權利要求I所述的以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，其特征在于所述的硅粉和二氧化硅粉為硅源制備的SiC納米線為單晶β-SiC納米線，直徑為l(Tl00nm，宏觀表現為墨綠色粉末。
4.一種以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，其特征在于采用可膨脹石墨為碳源，正硅酸乙酯為硅源，將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入可膨脹石墨，磁力攪拌配制混合凝膠，凝膠在70°C干燥4小時，再升至90°C干燥4小時，再升至110°C干燥4小時，研磨成粉狀置于石墨坩堝中并放入高溫氣氛箱式爐內，抽真空并充入保護氣體；升溫到1300 1800°C，保溫燒結2 8h，整個制備過程中爐內壓強低于IMPa ;隨爐自然冷卻至常溫，開爐即得SiC納米線。
5.根據權利要求4所述的以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，其特征在于所述的正硅酸乙酯可膨脹石墨的摩爾比為I :0. 2 5，正硅酸乙酯無水乙醇水的摩爾比為I :0. 86 :4，草酸稀釋至O. 01mol/L。
6.根據權利要求4所述的以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法，其特征在于所述的正硅酸乙酯為硅源制備的SiC納米線為單晶β -SiC納米線，直徑為5(T500nm，宏觀表現為淺綠色或灰白色棉花狀物質。
全文摘要
本發明公開了一種以可膨脹石墨為碳源SiC納米線的制備方法。采用可膨脹石墨為碳源，硅粉和二氧化硅粉為硅源；或采用正硅酸乙酯為硅源，將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解再干爆燥后；將碳源和硅源混合并研磨均勻置于石墨坩堝中并放入高溫氣氛箱式爐內，抽真空并充入保護氣體；升溫到1300～1800℃，保溫燒結2～8h，整個制備過程中爐內壓強低于1MPa；隨爐自然冷卻至常溫，開爐即得SiC納米線。本發明原料廉價、工藝簡單、無污染環境的有害氣體、不需任何催化劑，擁有大規模高產率制備的特點，適合SiC納米線的工業化生產。
文檔編號C01B31/36GK102730687SQ20121023139
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者張炬棟, 王明明, 陳建軍 申請人:浙江理工大學