專利名稱：一種合成納米碳化硅晶須的方法
一種合成納米碳化硅晶須的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于材料合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種合成納米碳化硅晶須的方法，特別涉及一種利用納米微晶纖維素為模板合成納米碳化硅晶須的方法，所得到的納米碳化硅晶須能夠廣泛應(yīng)用于金屬基、陶瓷基及聚合物基等復(fù)合材料的增強、增韌。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代技術(shù)的日益發(fā)展，航空航天、能源、金屬和高分子材料等領(lǐng)域?qū)Σ牧系母咝阅芴岢隽烁叩囊?。開發(fā)高模量、高韌性、硬度大、耐磨、耐腐蝕、耐高溫及化學(xué)穩(wěn)定性好的新型復(fù)合材料成為目前材料領(lǐng)域研究的熱點之一。而用晶須增韌的復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注，主要是由于晶須的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，內(nèi)部缺陷少，強度和模量均接近其完整晶體的理論值，是制備各種復(fù)合材料的主要補強、增韌劑。其中碳化硅(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(nèi)化學(xué)雜質(zhì)少，無晶粒邊界，晶體結(jié)構(gòu)缺陷少，結(jié)晶相成分均一，長徑比大；其強度接近原子間的結(jié)合力，是最接近于晶體理論強度的材料；其晶體結(jié)構(gòu)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(yōu)點。
碳化硅晶須可作為復(fù)合材料的增強、增韌劑，是金屬基、陶瓷基和高聚物基等復(fù)合材料的優(yōu)良增強、增韌劑。例如，納米碳化硅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硅晶須后，耐沖擊強度、拉伸強度、 熱變形溫度都有較大幅度提高。經(jīng)晶須碳化硅改性后的復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于機械、材料、 電子、化工、能源、航空航天及國防軍事等方面。
為此，國內(nèi)外學(xué)者為研制碳化硅晶須而不斷開發(fā)新的技術(shù)和新的方法。申請?zhí)枮?99110846. 9的中國專利公布了在100_150°C制備了二元氣溶膠，再脫碳制備直徑20_90nm， 長度為1-50 μ m的碳化硅晶須，但是過程復(fù)雜，需要在高壓釜制備二元氣溶膠。
申請?zhí)枮?00610139179. 4的中國專利公布了一種含纖維、晶須的碳化硅陶瓷組合物制造方法，需要用燒結(jié)助劑，增韌料及結(jié)合劑，要經(jīng)混合、成型、固化等工藝，而且需要在1700°C -2100°C的高溫處理。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的合成碳化硅晶須的方法步驟多、效率低的缺陷，本發(fā)明的首要目的在于提供一種合成納米碳化硅晶須的方法，該方法成本低、燒結(jié)溫度相對較低 (900-1200°C)、工藝簡單。
本發(fā)明的另一目的在于提供由上述方法合成的納米碳化硅晶須，其直徑為 10_90nm,長度為 O. 2-10 μ m。
本發(fā)明的再一目的在于提供由上述的納米碳化硅晶須的用途。
本發(fā)明的目的 通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)
一種合成納米碳化硅晶須的方法，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(zhì)量比為(2. 3-14. 3):1 ；
(2)將含硅化合物溶解于無水乙醇中，然后滴入到步驟(I)的混合溶液中，25-900C 下反應(yīng)3-6小時；含硅化合物與納米微晶纖維素的質(zhì)量比為(20-30) :1 ；
(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物離心，取沉淀，洗滌沉淀；然后將沉淀在氬氣氛圍下加熱至900-1200°C，維持O. 5-15小時，得到納米碳化硅晶須；
所述的酸性催化劑優(yōu)選鹽酸、冰醋酸或甲酸中的一種；
所述的含硅化合物優(yōu)選正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或3-甲基甲氧基硅烷中的一種；
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(yōu)選在IOOOOrpm下離心10分鐘；
步驟(3)所述的洗滌沉淀，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硅晶須，其直徑為10-90nm，長度為O. 2-10 μ m。
上述的納米碳化硅晶須可以應(yīng)用于復(fù)合材料的增韌；
所述的復(fù)合材料優(yōu)選金屬基、陶瓷基或聚合物基復(fù)合材料。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果
(I)本發(fā)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(jié)，符合節(jié)約，綠色環(huán)保需求。
(2)本發(fā)明的碳化硅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(huán)境友好材料及可再生資源。
(3)本發(fā)明合成納米碳化硅晶須的工藝簡單，所得碳化硅晶須具有較好的單分散性，得到的產(chǎn)物粒徑大小均一；碳化硅晶須有望實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，通過改變納米微晶纖維素、酸催化劑和硅源的比例可以合成出不同粒徑大小的碳化硅晶須，將碳化硅晶須應(yīng)用于金屬基、陶瓷基和高聚物基復(fù)合材料增強，有望在復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。


圖1是實施例1的碳化硅晶須的XRD (X-射線衍射分析)圖。
圖2是實施例1 的碳化硅晶須的TEM (透射電子顯微鏡)形貌圖。
圖3是實施例2的碳化硅晶須的TEM (透射電子顯微鏡)形貌圖。
圖4是實施例3的碳化硅晶須的SEM (掃描電子顯微鏡)形貌圖。
圖5是實施例4的碳化硅晶須的SEM (掃描電子顯微鏡)形貌圖。
圖6是實施例5的碳化硅晶須的元素分析EDS (電子能譜)圖。
圖7是實施例6的碳化硅晶須SAED (選區(qū)電子衍射分析)圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1
—種合成納米碳化硅晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. OSg納米微晶纖維素分散于IOOg的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到25°C ;然后將37% (質(zhì)量百分比)的鹽酸O. 5g加入到混合液中，混勻；
(2)將正硅酸乙酯2g溶解于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，滴加完之后在25°C反應(yīng)6小時；
(4)離心分離產(chǎn)物，將離心分離所得產(chǎn)物置于石墨坩堝中，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，得到納米碳化硅晶須。
XRD檢測所得碳化硅的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖1所示呈現(xiàn)出純的碳化硅晶相。TEM檢測碳化硅晶須的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，所得碳化硅晶須直徑10nm，長度為O. 2 μ m左右。
實施例2
一種合成納米碳化硅晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. 14g納米微晶纖維素分散于150g的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到40°C ;然后將冰醋酸1. 5g加入到混合液中，混勻；
(2)將正硅酸甲酯3g溶解于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，滴加完之后在40 C反應(yīng)3小時；
(6)離心分離產(chǎn)物，將離心分離所得產(chǎn)物置于石墨坩堝中，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，得到納米碳化硅晶須。
TEM檢測所得碳化硅晶須的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，所得碳化硅晶須直徑30nm，長度為1. 5μπι左右。
實施例3
一種合成納米碳化硅晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. 2g納米微晶纖維素分散 于300mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到60°C ;然后將甲酸2. Og加入到混合液中，混勻；
(2)將3-甲基甲氧基硅烷6g溶解于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，滴加完之后在60°C反應(yīng)3小時；
(4)離心分離產(chǎn)物，將離心分離所得產(chǎn)物置于石墨坩堝中，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，得到納米碳化硅晶須。
SEM檢測所得碳化硅晶須的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，所得碳化硅晶須直徑90nm，長度為5 μ m左右。
實施例4
一種合成納米碳化硅晶須的方法，包括以下步驟
(I)將O. 32g納米微晶纖維素分散于300mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到70°C ;然后將冰醋酸1. Sg加入到混合液中，混勻；
(2)將正硅酸乙酯6g溶解于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，滴加完之后在70°C反應(yīng)3小時；
(4)離心分離產(chǎn)物，將離心分離所得產(chǎn)物置于石墨坩堝中，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，得到納米碳化硅晶須。
SEM檢測所得碳化硅晶須的形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，所得碳化硅晶須得到直徑 50nm,長度為10 μ m左右。
實施例5
一種合成納米碳化硅晶須的方法，包括以下步驟
(1)將O. 2g納米微晶纖維素分散于240mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到50°C ;然后將37% (質(zhì)量百分比)的鹽酸2. Og加入到混合液中，混勻；
(2)將正硅酸甲酯4. 8g溶解于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，滴加完之后在50°C反應(yīng)3小時；
(4)離心分離產(chǎn)物，將離心分離所得產(chǎn)物置于石墨坩堝中，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，得到納米碳化硅晶須。
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
一種合成納米碳化硅晶須的方法，包括以下步驟
(1)將O. 14g納米微晶纖維素分散于300mL的蒸餾水中，在磁力攪拌作用下水浴加熱到45°C ;然后將甲酸催化劑2. Og加入到混合液中，混勻；
(2)將3-甲基甲氧基硅烷4g溶解于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，滴加完之后在45°C反應(yīng)3小時；
(4)離心分離產(chǎn)物，將離心分離所得產(chǎn)物置于石墨坩堝中，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碳化硅晶須。
SAED檢測碳化硅晶須形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖7所示，可見，所得碳化硅為單晶形式。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種合成納米碳化硅晶須的方法，其特征在于包括以下步驟(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(zhì)量比為(2. 3-14. 3):1 ；(2)將含硅化合物溶解于無水乙醇中，然后滴入到步驟(I)的混合溶液中，25-90°C下反應(yīng)3-6小時；含硅化合物與納米微晶纖維素的質(zhì)量比為(20-30) :1 ；(3)將步驟(2)所得的產(chǎn)物離心，取沉淀，洗滌沉淀；然后將沉淀在氬氣氛圍下加熱至 900-1200°C，維持O. 5-15小時，得到納米碳化硅晶須。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成納米碳化硅晶須的方法，其特征在于所述的酸性催化劑為鹽酸、冰醋酸或甲酸中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成納米碳化硅晶須的方法，其特征在于所述的含硅化合物為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或3-甲基甲氧基硅烷中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成納米碳化硅晶須的方法，其特征在于步驟(2)所述的滴入，其滴加時間為30-90分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成納米碳化硅晶須的方法，其特征在于步驟(3)所述的洗滌沉淀，是用無水乙醇和蒸餾水各洗2次。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成納米碳化硅晶須的方法，其特征在于步驟(3)所述的加熱，其升溫速率是5-15°C /min。
7.—種納米碳化硅晶須，其特征在于是由權(quán)利要求1-6任一項所述的方法制備得到； 其直徑為10-90nm，長度為O. 2-10 μ m。
8.權(quán)利要求7所述的納米碳化硅晶須在復(fù)合材料增韌中的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米碳化硅晶須在復(fù)合材料增韌中的應(yīng)用，其特征在于所述的復(fù)合材料為金屬基、陶瓷基或聚合物基復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種合成納米碳化硅晶須的方法，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；將含硅化合物溶解于無水乙醇中，然后滴入到上述的混合溶液中，25-90℃下反應(yīng)3-6小時；將所得的產(chǎn)物離心，取沉淀物；將沉淀在氬氣氛圍下加熱至900-1200℃，維持0.5-15小時，得到納米碳化硅晶須。本發(fā)明合成納米碳化硅晶須的工藝簡單，所得納米碳化硅晶須具有較好的單分散性，得到的產(chǎn)物粒徑大小均一；通過改變納米微晶纖維素、酸催化劑和硅源的比例可以合成出不同粒徑大小的納米碳化硅晶須，將納米碳化硅晶須應(yīng)用于金屬基、陶瓷基和高聚物基復(fù)合材料增強，有望在復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)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(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者丁念勇, 張念椿 申請人:華南理工大學(xué)