表面包敷與未包敷二氧化矽的碳化矽納米棒及製備方法
2023-07-30 13:49:31 1
專利名稱：表面包敷與未包敷二氧化矽的碳化矽納米棒及製備方法
技術領域：
本發明涉及碳化矽納米棒及表面包敷一層非晶二氧化矽的碳化矽複合納米棒的製備。
近年來，納米棒的製備引起了人們極大的興趣，(Dai，H，Wong，E.W.，Lu，Y.Z，Fan，ss.，Lieber，C.M.，Nature 374(1995)769；W.Q.Hanss.Fang，Q.Li，Y.D.Hu，Science 227(1997)1287，碳化矽是一種耐高溫陶瓷材料，也是一種半導體材料，碳化矽納米棒在高技術光電器件，納米功能材料和納米結構材料等方面有重大的潛在應用價值。
碳化矽品須的製備方法大體有五種(a).氧化矽碳熱還原法；(b).有機矽化合物分解法；(c)滷化矽與四氯化碳反應法；(d)氫氣還原三氯甲基矽烷法；(e)在金屬催化條件下的氣—液—固生長法。
但用上述方法製備的碳化矽晶須的直徑在微米級或亞微米級水平。Dan Zhou，Supapan Seraphin，Chemical Physics Letters，222(1994)233—238報導了用碳納米糰簇製備碳化矽晶須，但制出品須的直徑仍在亞微米量級。
目前，碳化矽納米棒的製備，國內外都是採用碳納米管和SiO或Si＋I2反應的方法製備，但製備出的碳化矽納米棒的長度僅一微米。
本發明目的是，提供一種用溶膠—凝膠法和碳熱還原反應法相結合，製備長徑比大的碳化矽納米棒及表面包敷一層非晶二氧化矽的碳化矽複合納米棒。
本發明目的是這樣實現的首先用溶膠—凝膠法製備含有糖類的二氧化矽溶膠及凝膠塊；將凝膠塊在氮氣保護條件下，於300～700℃退火1～2小時，得到含有納米碳顆粒的二氧化矽幹凝膠；進而將混合幹凝膠在氬氣保護條件下加熱到1550～1800℃並保溫2～5小時，碳顆粒與二氧化矽反應生成碳化矽納米棒；若在最後一步碳熱還原反應時，先採用下限溫度，再用上限溫度，則得到在碳化矽納米棒上包敷一層非晶二氧化矽的複合納米棒。
下面詳細敘述本發明方法步驟一以正矽酸乙酯和糖類為原料，無水乙醇為溶劑，酸為催化劑，製得含有糖的二氧化矽溶膠；將溶膠在60～100℃烘乾4～6天，得到二氧化矽與糖的混合凝膠；步驟二將步驟一製得的凝膠在氮氣保護下加熱到300～700℃保溫1～2小時，糖分解的水汽隨氮氣排出，分解所得的碳仍保留在二氧化矽凝膠的孔中，得到含有碳納米顆粒的二氧化矽幹凝膠；步驟三將步驟二所得混合幹凝膠在氬氣保護下加熱到1550～1800℃中一固定溫度，保溫2～5小時，則得到純碳化矽納米棒；若在高溫碳熱還原時加熱溫度先在1550℃以上一個較低溫度加熱，再在該溫度以上100～150℃較高溫度加熱，則得到非晶二氧化矽包敷的碳化矽複合納米棒。
本發明方法步驟一所用的糖可以是蔗糖、葡萄糖，糖的加入量使矽與碳的摩爾比為1∶3～5；催化劑可以用鹽酸、硝酸；酸與矽的摩爾比為1∶2；正矽酸乙酯和水的摩爾比為1∶10～15；正矽酸乙酯和乙醇的摩爾比為1∶3～5。
本發明的主要優點是1.本發明既可製備純的碳化矽納米棒；也可製備包敷一層非晶二氧化矽的碳化矽複合納米棒。
2.本發明所製備的碳化矽納米棒及表面包敷二氧化矽的碳化矽複合納米棒的長度均達20微米以上，純碳化矽納米棒直徑為15～40納米；複合納米棒中碳化矽納米棒直徑為10～30納米，包敷層厚度10～25納米。
用本發明方法製備的純碳化矽納米棒，不僅可用於各種複合材料中的增強劑；還可用於高溫超導體中釘扎磁通，提高高溫超導體的臨界電流密度；所製備的表面包敷一層非晶二氧化矽的碳化矽複合納米棒，是典型的二維量子限域的實例，也可用於量子器件中。
實施例1在一燒杯中用50毫升蒸餾水溶26.1克蔗糖，再向其中加入5毫升濃硝酸，攪拌均勻得到澄清溶液。
在另一燒杯中加入50毫升分析純正矽酸乙酯，再加入50毫升分析純無水乙醇，攪拌均勻。
將第一燒杯中的硝酸糖水溶液緩慢滴入第二燒杯中，邊滴邊攪拌，得到澄清溶膠。
將上述溶膠置於90℃烘箱，使其發生溶膠—凝膠轉變，乾燥5天後得塊狀凝膠。
上述凝膠在氮氣氣氛中於700℃加熱2小時，糖分解為水蒸汽和碳，其中的水蒸汽隨氮氣排出，碳保留在二氧化矽凝膠中以納米顆粒存在。
幹凝膠在氬氣保護下加熱到1650℃保溫2.5小時，在此期間碳還原二氧化矽，所得產物經透射電鏡分析，表明是純的碳化矽納米棒，其直徑為15～40納米。
實例2凝膠製備原料及工藝與實例1完全相同，僅在高溫碳熱還原時採用如下工藝先1650℃加熱1.5小時，再將溫度升高到1800℃保溫1小時。經X射線衍射、透射電鏡、高分辨電鏡及X射線光電子能譜分析表明，所得碳化矽納米棒長20微米以上，直徑在10～30納米之間，且在碳化矽納米棒外包敷一層非晶二氧化矽，包敷層的外徑為30～70納米。
圖1是用本發明方法製備的未包敷的碳化矽納米棒的放大10萬倍的電鏡照片；圖2是用本發明方法製備的表面包敷二氧化矽的碳化矽納米棒的放大10萬倍的電鏡照片。
權利要求
1.一種表面包敷與未包敷二氧化矽的碳化矽納米棒的製備方法，其特徵是，首先用溶膠—凝膠法製備含有糖類的二氧化矽溶膠及凝膠塊；將凝膠塊在氮氣保護條件下於300～700℃退火2小時，得到含有納米碳顆粒的二氧化矽幹凝膠；進而將混合幹凝膠在氬氣保護條件下加熱到1550～1800℃並保溫2～5小時，碳顆粒與二氧化矽反應生成碳化矽納米棒；若在最後一步反應中加熱時，先採用下限溫度，再用上限溫度，則得到在碳化矽納米棒上包敷一層非晶二氧化矽的複合納米棒。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵是；步驟一以正矽酸乙酯和糖為原料，無水乙醇為溶劑，酸為催化劑，製得含有糖的二氧化矽溶膠；將溶膠在60～100℃烘乾4～6天，得到二氧化矽與糖的混合凝膠；步驟二將步驟一製得的凝膠在氮氣保護下加熱到300～700℃保溫1～2小時，糖分解的水汽隨氮氣排出，分解所得的碳仍保留在二氧化矽凝膠的孔中，得到含有碳納米顆粒的二氧化矽幹凝膠；步驟三將步驟二所得混合幹凝膠在氬氣保護下加熱到1550～1800℃中一固定溫度保溫2～5小時，則得到純碳化矽納米棒；若在高溫碳熱還原時加熱溫度先在1550℃以上一個較低溫度加熱，再在該溫度以上100～150℃較高溫度加熱，則得到非晶二氧化矽包敷的碳化矽複合納米棒。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵是，所用的糖可以是蔗糖、葡萄糖，糖的加入量使矽與碳的摩爾比為1∶3～5。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵是，所用催化劑可以用鹽酸、硝酸；酸與矽的摩爾比為1∶2；正矽酸乙酯和水的摩爾比為1∶10～15；正矽酸乙酯和乙醇的摩爾比為1∶3～5。
5.一種用權利要求1方法製備的表面包敷與未包敷的二氧化矽的碳化矽納米棒，其特徵是碳化矽納米棒及表面包敷二氧化矽的碳化矽複合納米棒長度均達20微米以上，純碳化矽納米棒直徑為15～40納米；複合納米棒中碳化矽納米棒直徑為10～30納米，包敷層厚10～25納米。
全文摘要
本發明公開了一種表面包敷與未包敷二氧化矽的碳化矽納米棒及製備方法:先用溶膠—凝膠法製得含有納米碳顆粒的二氧化矽凝膠,將其在氬氣保護下加熱到1550～1800℃保溫2～5小時,得到碳化矽納米棒;若在最後一步反應中先低溫反應,再高溫反應,得到表面包敷二氧化矽的碳化矽複合納米棒。其長度均達20微米以上,直徑為10～40納米,包敷層厚度10～25納米。用本發明方法製備的材料,可用於各種複合材料中的增強劑,高溫超導中釘扎磁通。
文檔編號C04B35/626GK1222495SQ97107199
公開日1999年7月14日 申請日期1997年11月14日 優先權日1997年11月14日
發明者孟國文, 張立德, 牟季美, 秦勇, 馮素平 申請人:中國科學院固體物理研究所