[发明专利]一种纳米碳化硅材料的电化学制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学法制备碳化硅纳米线、颗粒的方法。

背景技术

能源、信息和材料是现代国名经济的三大支柱。其中材料更是各行各业的基础。SiC作为结构陶瓷材料，具有硬度高(介于刚玉和金刚石之间)、高温强度大、抗蠕变性能好、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点。用SiC微粉制得的部件具有更优良的耐高温强度、耐磨性，作为结构材料广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域。由于碳化硅微粉与许多金属和非金属氧化物有较好的化学相容性，用于制备金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料，已经表现出优异的性能。SiC纳米粒子在一定条件下可以发射较强的蓝光，当其尺寸小到一定程度时，将发生间接带隙向直接带隙的转变，一旦形成直接带隙，则其发光率将发生大幅度变化，可用于制备超高亮度发光二极管和短波半导体激光器。

晶须强化增韧被认为是解决材料高温韧性的有效方法，而且与连续纤维强化增韧相比，晶须增韧的工艺更为简便。因此，各种先进复合材料对晶须的需求量不断增加。SiC晶须具有低密度、高熔点、高强度、高模量、地热膨胀率及耐腐蚀等优良特性。作为金属基、陶瓷基和高聚物基等先进复合材料的优良增强剂，已广泛应用于机械、电子、化工、能源、航空航天及环保等众多领域。

SiC纳米线的制备方法主要有两种，一种为固体材料法，即利用载气通过含碳和含硅的混合材料，在与反应材料隔开的空间形成SiC的合成方法。白春根等在1400～1600℃下，分别用Fe、H₃BO₃、NaCl三种接触媒得到的SiC纳米线长度达200μm；Wang Qibao等用非金属催化剂及金属复合催化剂，所用原料中SiO₂含量为57.5％，于1650℃合成β-SiC纳米线，生成率＞30％。固相合成法具有原料廉价，原料来源广，方法简单，易于操作等优点，是商业化生产的主要方法，但大多固相法需要在催化剂的作用下和混合气体的保护下生长，晶须中含有催化剂等杂质较多，纯度不高，而且晶须的产率不高。另一种为气相反应法，即用含碳气体与含硅气体反应；或者分解一种含碳、硅化合物的有机气体合成SiC纳米线的方法。Ikeyama等用复合催化剂Cu复合其他金属，SiCl4与烃类反应获得了直径大于1μm的纯SiC纳米线。Otoishi Shinji等制得含有聚碳硅烷和粉碎过的碳纤维的W/O型乳状液，由此进一步得到多孔体，在1273～1623℃于Ar气氛中热处理该多孔体，在多孔体的表面和内壁有β-SiCw生成。但用气相反应制备SiC晶须均不很理想如存在环境污染、制备设备复杂等方面问题。

SiC纳米颗粒的制备方法有很多，包括化学气相沉积法(CVD)、激光诱导化学气相沉积法(LIVCD)、等离子气相合成法(PCVD法)和激光烧蚀法等。但这些方法或需要专门的设备，或工艺复杂，导致制造成本提高。

虽然SiC纳米线、颗粒的制备方法有很多，但采用电化学方法制备碳化硅纳米线、颗粒的方法还未见相关文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种无污染、原料易得、设备便宜、易于连续产、同时降低了制备温度的SiC纳米线、颗粒的电化学方法。

根据本发明，采用熔盐电解制备SiC纳米线、SiC纳米颗粒中的一种或几种，其特征是：由硅氧化物/碳复合多孔材料作为阴极，设置阳极，置于包含金属化合物熔盐的电解质中，在阴极和阳极之间施加电压，进行电解，在阴极制得SiC纳米线、SiC纳米颗粒中的一种或几种。

本发明中硅氧化物/碳复合多孔材料由硅氧化物与碳的前躯体混合，热压成多孔材料，或模压或模灌成型，然后烧结成多孔材料。

所述的硅氧化物与碳的前躯体混合，其中硅原子与碳原子的摩尔比为0.01～5。

本发明中制备的硅氧化物/碳复合材料，是通过硅氧化物与碳的前躯体混合，其中硅氧化物-SiO_X，0＜X≤2。

所述的碳的前躯体包括：聚乙烯醇、糠醇、木糖、丁苯橡胶乳、羧甲基纤维素、聚甲基丙烯酸酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚二乙烯苯、聚丙烯腈、酚醛树脂、苯酚树脂、环氧树脂、葡萄糖、蔗糖、果糖、纤维素、淀粉或沥青等。

所述的硅氧化物粉末的形状为球形、类球形中的中的一种或几种，硅氧化物粉末的平均粒径小于100nm。

所述的硅氧化物与碳的前躯体混合，是通过碳的前躯体溶解在溶剂中，其中溶剂可以为去离子水或有机溶剂(如乙醇、丙酮等)，溶剂的用量为碳的前驱体的质量的5至20倍，形成碳的前躯体的溶液，硅氧化物分散在碳的前躯体的溶液中。