一种低温制备立方碳化硅纳米线的方法技术

本发明专利技术公开了一种低温制备立方碳化硅纳米线的方法，是将硅粉、四氯乙烯、金属钠和升华硫按摩尔比０．５－４∶１∶２－８∶０．５－２混和，密封在高压釜中，１２０℃～２６０℃、５ＭＰａ～１８ＭＰａ条件下反应１０小时～５５小时或于２６０℃～６００℃时、７ＭＰａ～１８ＭＰａ条件下、保持其它原料配比不变，在不加入硫粉的情况下反应１０小时～５５小时，产物经醇洗、酸洗或灼烧然后酸洗、水洗至ｐＨ中性，常规离心分离、干燥，即获得立方碳化硅纳米线。本发明专利技术方法与现有技术相比，反应温度低、原料廉价易得、反应简单、产物形貌和尺寸易控、易于加强陶瓷的韧性，且易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳化硅纳米材料制备
，尤其涉及立方碳化硅(3C-SiC)纳米线 的低温制备方法。
技术介绍
碳化硅具有非常高的强度和韧性，可广泛用于陶瓷、金属及聚合物基体复合材料的 增强剂(Adv. Mater., 2000, 12, 1186)。 3C-SiC是宽禁带半导体(2.3 eV)，本身具有 工作温度高(可达60(TC)、通态电阻小、导热性好、pn结耐压高等优点，因此它是21 世纪重要的新型功率半导体器件材料之一。Cutler等用特殊处理的稻壳加热至2000。C生长出SiC晶须(J. Am. Ceram. Soc. Bull" 1975， 54， 195; US patent, 3754076. 1973)。 Dai H. J.等在1200。C下将碳纳 米管与具有高蒸气压的SiO或Sil2反应合成直径为2 30nm，长度达20 y m的SiC纳米线 (Nature, 1995， 375， 769)。 Meng G. W.等报道了用碳热还原Si02干凝胶法在高于1650。C 制得e-SiC纳米棒(J. Mater. Res., 1998， 13， 2533)。但上述制备过程往往都需要 在120(TC以上高温或在气流中进行，所制备的纳米线有可能被应用到高科技领域，但其 大规模制备还未见实现。Ritter J. J.报道了用金属钠于130'C还原SiCl4和CCl4，先制得含碳硅的非晶的前驱 物，然后将其加热至1450。C晶化得到3C-SiC (Adv. Ceram. ， 1987， 21， 21) 。 Lu Q. Y. 等也采用类似的化学反应在高压釜中于40(TC得到了结晶性很好的3C-SiC纳米线(Appl. Phys. Lett., 1999， 75, 507)。因此，在更低温度下廉价和大规模制备结晶程度良好 的3C-SiC纳米线，对有效提升碳化硅陶瓷的性能及其相关复合材料以及扩大其应用都具 有特别重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种更经济且易于工业化生产的低温制备结晶性良好的立方碳 化硅(3C-SiC)纳米线的新方法。本专利技术所述低温制备立方碳化硅纳米线的方法，其特征在于将硅粉、四氯乙烯、金属钠和升华硫按摩尔比0.5-4:l:2-8:0.5-2混合，密封在高 压釜中，将高压釜放置在干燥箱中，于12(TC 260。C、 5MPa 18MPa条件下反应10小 时 55小时；产物经醇洗、水洗和常规离心分离、干燥，即获得含有微量硅粉和石墨的 3C-SiC碳化硅粉末，如图1所示。产品经过酸洗涤或在空气中于60(TC下加热3小时即 可基本上除去石墨；然后将所得产品经氢氟酸与稀硝酸混合液洗涤除去单质硅即可得到 立方碳化硅(3C-SiC)纳米线，如图2所示。在此条件下所得纳米线直径主要分布在10-35 纳米。上述反应总的化学反应方程式为2 Si + S + C2C14 + 6 Na — 2 SiC + Na2S + 4 NaCl。 或者，可能不加入硫粉对于SiC纳米线性质上会有所区别，这一技术也十分重要，本专利技术也包括了这一方法，此方法的步骤是将硅粉、四氯乙烯、金属钠按摩尔比0.5-4:1:2-8混合，密封在高压釜中，将高压 釜放置在干燥箱中，于260'C 600'C时、7MPa 18MPa条件下反应10小时 55小时；产物经醇洗、酸洗或灼烧然后酸洗、水洗至pH中性，常规离心分离、干燥，即获得立 方碳化硅(3C-SiC)纳米线，如图3所示。在不加入升华硫粉时SiC纳米线的直径范围 为40-120nm。上述反应总的化学反应方程式为2 Si + C2C14 + 4 Na — 2 SiC + 4 NaCl。上述低温制备立方碳化硅纳米线的方法，其优选方式是，将硅粉、四氯乙烯、金属 钠和升华硫按摩尔比0. 8-2:1:4-8:0. 7-2混合，密封在高压釜中，于120°C 、 5MPa 15MPa 条件下反应20小时 50小时或于260。C、8MPa 15MPa条件下、保持其它原料配比不变， 在不加入硫粉的情况下反应20小时 50小时，产物经醇洗、酸洗或灼烧然后酸洗、水 洗至pH中性，常规离心分离、干燥，即获得立方碳化硅(3C-SiC)纳米线。进一步的优选方式是，将硅粉、四氯乙烯、金属钠和升华硫按摩尔比 0.9-1.5:1:5-7:0. 8-1.5混合，密封在高压釜中，于120。C、 5MPa 10MPa条件下反应 30小时 50小时或于26(TC、 8MPa 12MPa条件下、保持其它原料配比不变，在不加入 硫粉的情况下反应20小时 50小时，产物经醇洗、酸洗或灼烧然后酸洗、水洗至pH 中性，常规离心分离、干燥，即获得立方碳化硅(3C-SiC)。最优选方式是，将硅粉、四氯乙烯、金属钠和升华硫按摩尔比1.2:1:6:1. l混合， 密封在高压釜中，于120。C、 6.8MPa条件下反应40小时或于260°C、 8. 7MPa条件下、 保持其它原料配比不变，在不加入硫粉的情况下反应30小时，产物经醇洗、酸洗或灼 烧然后酸洗、水洗至pH中性，常规离心分离、干燥，即获得立方碳化硅(3C-SiC)纳 米线。上述低温制备立方碳化硅纳米线的方法中，所述醇优选为85% 100%的乙醇。 上述低温制备立方碳化硅纳米线的方法中，所述酸优选为盐酸、硫酸、硝酸、高氯 酸、氢氟酸和/或其任意体积比例的混合液。其中，所述酸最优选为lmol/L盐酸、重量百分比为70%高氯酸和/或体积比为硝酸氢氟酸=1:1的混合液。上述低温制备立方碳化硅纳米线的方法中，所述酸洗过程优选方式为先用lmol/L 盐酸洗涤，然后用重量百分比为70%高氯酸洗涤，最后再用硝酸氢氟酸=1:1混合液洗 涤；若采用灼烧后酸洗则酸洗过程省略70讨％高氯酸洗涤步骤。上述低温制备立方碳化硅纳米线的方法中，所述灼烧的条件为空气中于60(TC温 度下灼烧3小时。与现有技术相比，本专利技术是一种制备3C-SiC纳米线的新方法，反应温度较低，操 作简单易控，所得产物形貌较好，易于提高陶瓷的韧性。同时本专利技术方法极易于实现工 业化生产。 附图说明图1是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在12(TC、 40小时条件下制备产物的X光 衍射谱。图2是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在12(TC、 40小时条件下所得产物经提纯 后的X光衍射谱。图3是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在12(TC、 20小时条件下所得产物经提纯 后的X光衍射谱。图4是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在12(TC、 20小时条件下所得产物经提纯 后的低放大倍率的TEM照片。图5是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在120°C、 40小时条件下所得产物经提纯 后的低放大倍率的TEM照片。图6是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在120'C、 20小时条件下制备产物中随机 挑选的单根纳米线的选区电子衍射花样(SAED)。图7是用硅粉、金属钠、硫粉和四氯乙烯在120。C、 20小时条件下制备产物中纳米 线的HRTEM图片。图8是硅粉、金属钠和四氯乙烯在26(TC反应20小时条件下制备产物的X射线粉末 衍射谱。图9是硅粉、金属钠和四氯乙烯在26(TC反应20小时条件下制备产物低放大倍率的 TEM图片。 具体实施例方式实施例l:立本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温制备立方碳化硅纳米线的方法，其特征在于：将硅粉、四氯乙烯、金属钠和升华硫按摩尔比０．５－４∶１∶２－８∶０．５－２混合，密封在高压釜中，于１２０℃～２６０℃、５ＭＰａ～１８ＭＰａ条件下反应１０小时～５５小时；产物经醇洗、酸洗 或灼烧然后酸洗、水洗至ｐＨ中性，常规离心分离、干燥，即获得立方碳化硅纳米线；或者，将硅粉、四氯乙烯、金属钠按摩尔比０．５－４∶１∶２－８混合，密封在高压釜中，于２６０℃～６００℃时、７ＭＰａ～１８ＭＰａ条件下反应１０小时～５５小时； 产物经醇洗、酸洗或灼烧然后酸洗、水洗至ｐＨ中性，常规离心分离、干燥，即获得立方碳化硅纳米线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钱逸泰，鞠治成，邢政，徐立强，马小健，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]