[发明专利]一种高纯度纳米碳化硅纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用碳纳米管与溶胶-凝胶法二氧化硅高温反应，制备高纯度碳化硅纳米纤维的方法，其特征在于以溶胶-凝胶工艺制备的二氧化硅为硅源，以碳纳米管为碳源，在氩气保护下通过合理的升温工艺制成高纯度碳化硅纳米纤维。

背景技术

碳化硅(SiC)纳米纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、低密度、电阻率可调控等优异性能，主要用于耐高温陶瓷基复合材料、金属基复合材料、电磁波吸收材料等方面，在冶金、电子、兵器、航空航天等工业上有广泛用途。利用二氧化硅与碳进行高温碳热还原是工业上制备SiC的常用方法。如，将高纯度石英砂和焦炭或石油焦在电阻炉内生产SiC粉料，也有以酚醛树脂热解炭作为替代炭源制备SiC粉。与结晶态二氧化硅相比，二氧化硅凝胶具有较高的反应活性，且制备方法简便，原料易得，因此将二氧化硅凝胶和酚醛树脂等碳源进行研磨混合后，可以在相对较低的温度下进行碳热还原反应，获得SiC纳米纤维。此外，硅的卤化物(气相)与碳氢化合物(气体)和一定量的氢气进行高温气相反应(1200-1800℃)也可获得SiC；而某些先驱体如聚碳硅烷等在惰性气氛中热解也可以得到高比表面积的SiC纤维。

本发明提出一种利用碳纳米管与溶胶-凝胶法SiO₂进行高温反应，制备高纯度碳化硅纳米纤维的方法。即以溶胶-凝胶工艺制备的SiO₂凝胶为硅源，以碳纳米管为碳源，在氩气保护下通过合理的升温控制，获得高纯度SiC纳米纤维(以为主)。该方法目前还未见报道。

发明内容

本发明提供了一种利用碳纳米管和二氧化硅凝胶制备高纯度纳米SiC纤维的新方法。

具体步骤为：

(1)将3-5g碳纳米管加到50ml的烧杯中，加入30-40ml蒸馏水超声震荡5-15分钟后，再加入0.8-1.6g十二烷基苯磺酸钠，继续超声震荡4-6小时；加蒸馏水稀释到500-600ml，以10000-12000r/min的转速进行离心分离，移去上清液；将沉淀用烘箱在75-95℃烘干4-8小时后取出，研磨成粉，得到亲水碳纳米管；

(2)将50-55ml体积百分比为25-28％的氨水和100ml蒸馏水混合，再加入160-175ml无水乙醇，常温下磁力搅拌3-10分钟后，加入2.8-3.2g步骤(1)制得的亲水碳纳米管，再搅拌2-5分钟，得到碳纳米管的均匀分散液；

(3)向步骤(2)所得碳纳米管分散液中逐滴加入18-22ml的正硅酸乙酯，开始溶胶-凝胶反应，持续搅拌40-48小时，温度控制在15-30℃之间，获得含有碳纳米管和二氧化硅凝胶的悬浮液；产物在75-85℃烘干20-30小时后取出，研磨成粉；

(4)取步骤(3)制备的粉末1-3g，放入氧化铝坩埚内，氩气保护下升温至500-700℃保温1-3小时，再升温至1350-1650℃，保温1-4小时后冷却至常温；氧化铝坩埚内部产物即为高纯度碳化硅纳米纤维。

本发明的特点：

(1)对碳纳米管进行表面改性可使其与溶胶-凝胶法SiO₂均匀混合，有利于提高碳热反应效率，提高碳化硅纳米纤维的产率；

(2)对碳纳米管和溶胶-凝胶法SiO₂混合物进行合理的升温控制；

(3)可直接获到高纯度SiC纳米纤维，无需进行后续处理；

(4)反应过程中无需引入任何催化剂。

本发明制备的碳化硅纳米纤维纯度高、工艺简单、成本低，反应过程中无需引入任何催化剂，易于实现批量生产。

具体实施方式

实施例：

(1)将4g碳纳米管加到50ml的烧杯中，加入35ml蒸馏水超声震荡10分钟后，再加入1.2g十二烷基苯磺酸钠，继续超声震荡5小时；加蒸馏水稀释到550ml，以11000r/min的转速进行离心分离，移去上清液；将沉淀用烘箱在90℃烘干6小时后取出，研磨成粉，得到亲水碳纳米管；

(2)将50ml体积百分比为25-28％的氨水和100ml蒸馏水混合，再加入165ml无水乙醇，常温下磁力搅拌5分钟后，加入3g步骤(1)制得的亲水碳纳米管，再搅拌5分钟，得到碳纳米管的均匀分散液；

(3)向步骤(2)所得碳纳米管分散液中逐滴加入20ml的正硅酸乙酯，开始溶胶-凝胶反应，持续搅拌48小时，温度控制在30℃，获得含有碳纳米管和二氧化硅凝胶的悬浮液；产物在85℃烘干25小时后取出，研磨成粉；

(4)取步骤(3)制备的粉末1.5g，放入氧化铝坩埚内，氩气保护下升温至650℃保温2小时，再升温至1500℃，保温3小时后冷却至常温；氧化铝坩埚内部产物即为高纯度碳化硅纳米纤维(β-SiC含量＞90％)。