一種合成納米碳化矽晶須的方法

2023-06-01 06:24:16

專利名稱：一種合成納米碳化矽晶須的方法
一種合成納米碳化矽晶須的方法技術領域
本發明屬於材料合成技術領域，具體涉及一種合成納米碳化矽晶須的方法，特別涉及一種利用納米微晶纖維素為模板合成納米碳化矽晶須的方法，所得到的納米碳化矽晶須能夠廣泛應用於金屬基、陶瓷基及聚合物基等複合材料的增強、增韌。
背景技術：
隨著現代技術的日益發展，航空航天、能源、金屬和高分子材料等領域對材料的高性能提出了更高的要求。開發高模量、高韌性、硬度大、耐磨、耐腐蝕、耐高溫及化學穩定性好的新型複合材料成為目前材料領域研究的熱點之一。而用晶須增韌的複合材料由於其優異的性能而備受關注，主要是由於晶須的晶體結構比較完整，內部缺陷少，強度和模量均接近其完整晶體的理論值，是製備各種複合材料的主要補強、增韌劑。其中碳化矽(SiC)晶須有「晶須之王」的美譽，是一種直徑為納米級至微米級的具有高度單一取向性的短纖維單晶材料；其晶體內化學雜質少，無晶粒邊界，晶體結構缺陷少，結晶相成分均一，長徑比大；其強度接近原子間的結合力，是最接近於晶體理論強度的材料；其晶體結構與金剛石類似，具有高熔點、低密度、高抗拉強度、高彈性模量、蠕變低、低熱膨脹率以及與金屬和陶瓷基體良好的相容性等優點。
碳化矽晶須可作為複合材料的增強、增韌劑，是金屬基、陶瓷基和高聚物基等複合材料的優良增強、增韌劑。例如，納米碳化矽晶須粒子其分散相具有較大的比表面積和較高的表面能，且具有好的剛性。在聚合物基體中加納米碳化矽晶須後，耐衝擊強度、拉伸強度、 熱變形溫度都有較大幅度提高。經晶須碳化矽改性後的複合材料可廣泛應用於機械、材料、 電子、化工、能源、航空航天及國防軍事等方面。
為此，國內外學者為研製碳化矽晶須而不斷開發新的技術和新的方法。申請號為 99110846. 9的中國專利公布了在100_150°C製備了二元氣溶膠，再脫碳製備直徑20_90nm， 長度為1-50 μ m的碳化矽晶須，但是過程複雜，需要在高壓釜製備二元氣溶膠。
申請號為200610139179. 4的中國專利公布了一種含纖維、晶須的碳化矽陶瓷組合物製造方法，需要用燒結助劑，增韌料及結合劑，要經混合、成型、固化等工藝，而且需要在1700°C -2100°C的高溫處理。發明內容
為了克服現有的合成碳化矽晶須的方法步驟多、效率低的缺陷，本發明的首要目的在於提供一種合成納米碳化矽晶須的方法，該方法成本低、燒結溫度相對較低 (900-1200°C)、工藝簡單。
本發明的另一目的在於提供由上述方法合成的納米碳化矽晶須，其直徑為 10_90nm,長度為 O. 2-10 μ m。
本發明的再一目的在於提供由上述的納米碳化矽晶須的用途。
本發明的目的 通過下述技術方案實現
一種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(I)將納米微晶纖維素水溶液加熱至25_70°C，加入酸性催化劑，混勻；酸性催化劑與納米微晶纖維素的質量比為(2. 3-14. 3):1 ；
(2)將含矽化合物溶解於無水乙醇中，然後滴入到步驟(I)的混合溶液中，25-900C 下反應3-6小時；含矽化合物與納米微晶纖維素的質量比為(20-30) :1 ；
(3)將步驟(2)所得的產物離心，取沉澱，洗滌沉澱；然後將沉澱在氬氣氛圍下加熱至900-1200°C，維持O. 5-15小時，得到納米碳化矽晶須；
所述的酸性催化劑優選鹽酸、冰醋酸或甲酸中的一種；
所述的含矽化合物優選正矽酸乙酯、正矽酸甲酯或3-甲基甲氧基矽烷中的一種；
步驟(2)所述的滴入，其滴加時間為30-90分鐘；
步驟(3)所述的離心優選在IOOOOrpm下離心10分鐘；
步驟(3)所述的洗滌沉澱，是用無水乙醇和蒸餾水各洗2次；
步驟(3)所述的加熱，其升溫速率是5_15°C /min。
由上述方法合成的碳化矽晶須，其直徑為10-90nm，長度為O. 2-10 μ m。
上述的納米碳化矽晶須可以應用於複合材料的增韌；
所述的複合材料優選金屬基、陶瓷基或聚合物基複合材料。
本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果
(I)本發明的方法是在水溶劑的作用下及水溶液中合成，在較低溫度下燒結，符合節約，綠色環保需求。
(2)本發明的碳化矽晶須以納米微晶纖維素為模板，而納米微晶纖維素是一種環境友好材料及可再生資源。
(3)本發明合成納米碳化矽晶須的工藝簡單，所得碳化矽晶須具有較好的單分散性，得到的產物粒徑大小均一；碳化矽晶須有望實現工業化生產，通過改變納米微晶纖維素、酸催化劑和矽源的比例可以合成出不同粒徑大小的碳化矽晶須，將碳化矽晶須應用於金屬基、陶瓷基和高聚物基複合材料增強，有望在複合材料領域發揮了重要的作用。


圖1是實施例1的碳化矽晶須的XRD (X-射線衍射分析)圖。
圖2是實施例1 的碳化矽晶須的TEM (透射電子顯微鏡)形貌圖。
圖3是實施例2的碳化矽晶須的TEM (透射電子顯微鏡)形貌圖。
圖4是實施例3的碳化矽晶須的SEM (掃描電子顯微鏡)形貌圖。
圖5是實施例4的碳化矽晶須的SEM (掃描電子顯微鏡)形貌圖。
圖6是實施例5的碳化矽晶須的元素分析EDS (電子能譜)圖。
圖7是實施例6的碳化矽晶須SAED (選區電子衍射分析)圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
—種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. OSg納米微晶纖維素分散於IOOg的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到25°C ;然後將37% (質量百分比)的鹽酸O. 5g加入到混合液中，混勻；
(2)將正矽酸乙酯2g溶解於20無水乙醇中，得到混合液；
(3)將步驟(2)的混合液逐滴加入到步驟(I)的混合液，30分鐘加完，滴加完之後在25°C反應6小時；
(4)離心分離產物，將離心分離所得產物置於石墨坩堝中，在氬氣氛圍下以5°C / min升溫速率升到900°C，維持溫度O. 5小時，得到納米碳化矽晶須。
XRD檢測所得碳化矽的形態結構，如圖1所示呈現出純的碳化矽晶相。TEM檢測碳化矽晶須的形態結構，如圖2所示，所得碳化矽晶須直徑10nm，長度為O. 2 μ m左右。
實施例2
一種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. 14g納米微晶纖維素分散於150g的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到40°C ;然後將冰醋酸1. 5g加入到混合液中，混勻；
(2)將正矽酸甲酯3g溶解於35g無水乙醇中，得到混合液；
(3)把步驟(2)的混合液逐滴加入到步驟(I)的混合液中，45分鐘加完，滴加完之後在40 C反應3小時；
(6)離心分離產物，將離心分離所得產物置於石墨坩堝中，在氬氣氛圍下以10°C / min升溫速率升到1100°C，維持溫度15小時，得到納米碳化矽晶須。
TEM檢測所得碳化矽晶須的形態結構，如圖3所示，所得碳化矽晶須直徑30nm，長度為1. 5μπι左右。
實施例3
一種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. 2g納米微晶纖維素分散 於300mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到60°C ;然後將甲酸2. Og加入到混合液中，混勻；
(2)將3-甲基甲氧基矽烷6g溶解於60g無水乙醇中，得到混合液；
(3)把步驟(2)的混合液逐滴加入到步驟(I)的混合液中，逐滴加入的時間為90 分鐘，滴加完之後在60°C反應3小時；
(4)離心分離產物，將離心分離所得產物置於石墨坩堝中，在氬氣氛圍下以15°C / min升溫速率升到1200°C，維持溫度2. 5小時，得到納米碳化矽晶須。
SEM檢測所得碳化矽晶須的形態結構，如圖4所示，所得碳化矽晶須直徑90nm，長度為5 μ m左右。
實施例4
一種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. 32g納米微晶纖維素分散於300mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到70°C ;然後將冰醋酸1. Sg加入到混合液中，混勻；
(2)將正矽酸乙酯6g溶解於60g無水乙醇中，得到混合液；
(3)把步驟(2)的混合液逐滴加入到步驟(I)的混合液中，逐滴加入的時間為90 分鐘，滴加完之後在70°C反應3小時；
(4)離心分離產物，將離心分離所得產物置於石墨坩堝中，在氬氣氛圍下以5°C / min升溫速率升到900°C，維持溫度5小時，得到納米碳化矽晶須。
SEM檢測所得碳化矽晶須的形態結構，如圖5所示，所得碳化矽晶須得到直徑 50nm,長度為10 μ m左右。
實施例5
一種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(1)將O. 2g納米微晶纖維素分散於240mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到50°C ;然後將37% (質量百分比)的鹽酸2. Og加入到混合液中，混勻；
(2)將正矽酸甲酯4. 8g溶解於60g無水乙醇中，得到混合液；
(3)把步驟(2)的混合液逐滴加入到步驟(I)的混合液中，逐滴加入的時間為50 分鐘，滴加完之後在50°C反應3小時；
(4)離心分離產物，將離心分離所得產物置於石墨坩堝中，在氬氣氛圍下以8°C / min升溫速率升到1000°C，維持溫度2. 5小時，得到納米碳化矽晶須。
EDS測試所得碳化娃晶須的元素含量,主要為Si和C元素,如圖6所示,無其他雜元素存在。
實施例6
一種合成納米碳化矽晶須的方法，包括以下步驟
(1)將O. 14g納米微晶纖維素分散於300mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到45°C ;然後將甲酸催化劑2. Og加入到混合液中，混勻；
(2)將3-甲基甲氧基矽烷4g溶解於50g無水乙醇中，得到混合液；
(3)將步驟(2)的混合液逐滴加入到步驟(I)的混合液中，逐滴加入的時間為50 分鐘，滴加完之後在45°C反應3小時；
(4)離心分離產物，將離心分離所得產物置於石墨坩堝中，在氬氣氛圍下以15°C / min升溫速率升1200°C，維持溫度2小時，得到直徑10_90nm，長度為O. 2_10μπι碳化矽晶須。
SAED檢測碳化矽晶須形態結構，如圖7所示，可見，所得碳化矽為單晶形式。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種合成納米碳化矽晶須的方法，其特徵在於包括以下步驟(O將納米微晶纖維素水溶液加熱至25-70°C，加入酸性催化劑，混勻；酸性催化劑與納米微晶纖維素的質量比為(2. 3-14. 3):1 ；(2)將含矽化合物溶解於無水乙醇中，然後滴入到步驟(I)的混合溶液中，25-90°C下反應3-6小時；含矽化合物與納米微晶纖維素的質量比為(20-30) :1 ；(3)將步驟(2)所得的產物離心，取沉澱，洗滌沉澱；然後將沉澱在氬氣氛圍下加熱至 900-1200°C，維持O. 5-15小時，得到納米碳化矽晶須。
2.根據權利要求1所述的合成納米碳化矽晶須的方法，其特徵在於所述的酸性催化劑為鹽酸、冰醋酸或甲酸中的一種。
3.根據權利要求1所述的合成納米碳化矽晶須的方法，其特徵在於所述的含矽化合物為正矽酸乙酯、正矽酸甲酯或3-甲基甲氧基矽烷中的一種。
4.根據權利要求1所述的合成納米碳化矽晶須的方法，其特徵在於步驟(2)所述的滴入，其滴加時間為30-90分鐘。
5.根據權利要求1所述的合成納米碳化矽晶須的方法，其特徵在於步驟(3)所述的洗滌沉澱，是用無水乙醇和蒸餾水各洗2次。
6.根據權利要求1所述的合成納米碳化矽晶須的方法，其特徵在於步驟(3)所述的加熱，其升溫速率是5-15°C /min。
7.—種納米碳化矽晶須，其特徵在於是由權利要求1-6任一項所述的方法製備得到； 其直徑為10-90nm，長度為O. 2-10 μ m。
8.權利要求7所述的納米碳化矽晶須在複合材料增韌中的應用。
9.根據權利要求7所述的納米碳化矽晶須在複合材料增韌中的應用，其特徵在於所述的複合材料為金屬基、陶瓷基或聚合物基複合材料。
全文摘要
本發明公開了一種合成納米碳化矽晶須的方法，該方法包括以下步驟將納米微晶纖維素水溶液加熱至25-70℃，加入酸性催化劑，混勻；將含矽化合物溶解於無水乙醇中，然後滴入到上述的混合溶液中，25-90℃下反應3-6小時；將所得的產物離心，取沉澱物；將沉澱在氬氣氛圍下加熱至900-1200℃，維持0.5-15小時，得到納米碳化矽晶須。本發明合成納米碳化矽晶須的工藝簡單，所得納米碳化矽晶須具有較好的單分散性，得到的產物粒徑大小均一；通過改變納米微晶纖維素、酸催化劑和矽源的比例可以合成出不同粒徑大小的納米碳化矽晶須，將納米碳化矽晶須應用於金屬基、陶瓷基和高聚物基複合材料增強，有望在複合材料領域發揮了重要的作用。
文檔編號C22C49/14GK103060890SQ20131002361
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者丁念勇, 張念椿 申請人:華南理工大學