專利名稱：一種制備碳化硅納米線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備碳化硅納米線的方法，屬于用真空冶金的方法生產(chǎn)碳化硅材
料技術(shù)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
碳化硅具有寬的帶隙、高的臨界擊穿電壓、高的熱導(dǎo)率、高的載流子飽和漂移速 度等一系列優(yōu)異特點(diǎn)，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)體器件及紫外探測器 和短波發(fā)光二極管等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。作為重要的功能材料，碳化硅納米線 還具有非常高的強(qiáng)度和韌性，可廣泛用作陶瓷、金屬和聚合物的加強(qiáng)材料。因此如何
大規(guī)模制備碳化硅納米線就顯得十分重要。
基于SiC納米線諸多優(yōu)異性能和廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外眾多學(xué)者對SiC納米線的合成
方法和理論做了大量科學(xué)研究。目前制備的主要方法有碳納米管模板法、電弧放電 法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法和加熱蒸發(fā)法。其中電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法 和加熱蒸發(fā)法需借助于催化劑，不可避免的造成了產(chǎn)品純度不高，制約了其實(shí)際應(yīng)用。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Dai等人在《Nature》，1995, (375) :769~772上發(fā)表了碳化硅納米 線的合成與表征，(英國) 一文，該文介紹的方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過選擇初始碳納米 管的直徑和調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度來控制SiC納米線的形狀和生長方向，缺點(diǎn)是碳納米管的價(jià) 格較高，成本較高。郝雅娟等在《無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)》，2006,(10): 1833-1837上發(fā)表了 "碳 熱還原制備不同形貌的碳化硅納米線"一文以酚醛樹脂為碳源，正硅酸乙脂為硅源， 硝酸鑭和表面活性劑為調(diào)控劑，用溶膠-凝膠法通過合理控制反應(yīng)條件，制備出了不 同組成的SiC前驅(qū)體干凝膠，然后在氬氣(50ml/min)保護(hù)下，在130(TC進(jìn)行碳熱還 原5小時(shí)，制備出了直徑50 70nm，長度幾十微米的直線狀碳化硅納米線，該法具 有成本低廉、工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是容易形成團(tuán)聚、分散性和結(jié)晶程度差。與上述 方法相比本發(fā)明制備SiC納米線既可以使用較純的Si02為原料，也可以利用廉價(jià)的 含硅工業(yè)固體廢棄物為原料，具有成本低，較易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，是最具有前途的，越來 越受到人們的關(guān)注，在不久的將來有望發(fā)展成為一種低成本、低能耗、實(shí)現(xiàn)廢棄物資
源化與控制污染的目的和大規(guī)模、可控制地制備碳化硅納米線的新工藝。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備碳化硅納米線的方法，以含Si02的廢料為硅源，
在真空條件及700-200(TC時(shí)用碳質(zhì)還原劑還原，制備制備得直徑為30-120nm,長度 在微米級SiC納米線。
本發(fā)明按以下步驟完成
1、 預(yù)處理把碳質(zhì)還原劑和硅質(zhì)原料破碎，球磨成20目以下的粉末，再將二氧 化硅粉和碳粉按摩爾比l:0.5 6進(jìn)行配比混合。所述硅質(zhì)原料包括硅礦、石英、廢光 纖、廢石英和生物質(zhì)灰廢料中的一種；所述碳質(zhì)還原劑包括碳、竹炭、煤、廢活性炭、 焦煤和褐煤中的一種；
2、 真空碳熱還原先抽真空至l(T2~l(T4Pa再以100°C/min的速率將溫度升到 70(TC 200(TC進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)10min 2h，反應(yīng)后自然冷卻至室溫，獲得初級反應(yīng) 產(chǎn)物；
3、 熱處理將初級反應(yīng)產(chǎn)物在700 卯(TC下灼燒l 3h，除去未反應(yīng)的碳；
4、 酸洗用氫氟酸或硝酸去除產(chǎn)物中的多余二氧化硅，再經(jīng)洗滌、過濾、干燥，
最終得到碳化硅產(chǎn)品。
與現(xiàn)有方法相比本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
1、 原料來源方便。本技術(shù)中用到的生產(chǎn)原料，碳質(zhì)還原劑可以是各種純度的碳，
也可以是竹炭、無煙煤、煙煤、焦煤、褐煤中的一種或幾種混合；硅質(zhì)原料可以是各 種純度的硅礦、石英、廢光纖、廢石英、生物質(zhì)灰等含Si02的廢料中的一種或幾種。
2、 工藝簡單，產(chǎn)品純度高。以碳熱還原為核心技術(shù)的本發(fā)明可以設(shè)計(jì)成如圖(l) 所示的工藝流程就可以制備出碳化硅納米線。
3、 成本低，環(huán)境污染小。本反應(yīng)所用的硅質(zhì)原料，主要來自硅礦、廢光纖、廢 石英、生物質(zhì)灰等含Si02的廢料，原材料便宜，對環(huán)境友好；且本工藝和傳統(tǒng)制備
碳化硅納米線工藝相比，工藝流程簡單，減少了工藝過程，成本低，能耗低，降低了 環(huán)境污染。
四

圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:采用固定碳含量92%的褐煤和純度99%以上的二氧化硅礦作為原料，破碎 后用球磨機(jī)磨成20目以下的粉末，然后將原料粉末分級過篩，得到粒度50目以下的 粉末；將Si02粉和碳粉按摩爾比l:l進(jìn)行混合，混合粉末放到真空感應(yīng)爐的石墨柑堝 中，封閉系統(tǒng)后，抽真空1(^ 10"Pa，以100'C/min的速率升溫到120(TC，反應(yīng)20分 鐘后，停止反應(yīng)，而后自然冷卻至室溫，獲得初級反應(yīng)產(chǎn)物，在80(TC下灼燒lh，用 氫氟酸去除產(chǎn)物中的多余二氧化硅，再經(jīng)洗滌、過濾、干燥制得直徑為90-110nm， 長度在微米級SiC納米線。
實(shí)施例2;采用純度為99%的竹炭和純度為99%以上的二氧化硅礦作為原料，破碎后 用球磨機(jī)磨成20目以上的粉末，破碎后用球磨機(jī)磨成20目以下的粉末，然后將原料 粉末分級過篩，得到粒度IOO目的粉末。將Si02粉和碳粉按摩爾比2:l進(jìn)行混合，混 合粉末放到真空感應(yīng)爐的剛玉坩堝中，封閉系統(tǒng)后，抽真空l(T2 10-4Pa,以10(TC/min 的速率升溫到140CTC,反應(yīng)30分鐘后，停止反應(yīng)，而后自然冷卻至室溫，獲得初級 反應(yīng)產(chǎn)物，在70(TC下灼燒3h，用氫氟酸去除產(chǎn)物中的多余二氧化硅，再經(jīng)洗滌、過 濾、干燥制備的SiC納米線直徑為30-80nm，長度在微米級。
實(shí)施例3:采用純度98%以上的活性炭和純度99.9%以上的廢石英為原料，破碎后用 球磨機(jī)磨成20目以下的粉末，然后將原料粉末分級過篩，得到粒度150目的粉末。 將Si02粉和活性炭粉按摩爾比3:1進(jìn)行混合,混合粉末放到真空感應(yīng)爐的石墨坩堝中， 封閉系統(tǒng)后，抽真空排除系統(tǒng)中的空氣，以10(TC/min的速率升溫到160(TC,反應(yīng) 40分鐘后，停止反應(yīng)，而后自然冷卻至室溫獲得初級反應(yīng)產(chǎn)物，在900。C下灼燒lh， 用氫氟酸去除產(chǎn)物中的多余二氧化硅，再經(jīng)洗滌、過濾、干燥制得SiC納米線直徑為 40-120nm，長度在微米級。
權(quán)利要求
1、一種制備碳化硅納米線的方法，其特征在于其按以下步驟完成，1)、預(yù)處理把碳質(zhì)還原劑和硅質(zhì)原料破碎，球磨成20目以下的粉末，再將硅質(zhì)原料和碳質(zhì)還原劑按摩爾比1:0.5～6進(jìn)行配比混合；2)、真空碳熱還原先抽真空至10-2～10-4Pa再以100℃/min的速率將溫度升到700℃～2000℃進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)10min～2h，反應(yīng)后自然冷卻至室溫，獲得初級反應(yīng)產(chǎn)物；3)、熱處理將初級反應(yīng)產(chǎn)物在700～900℃下灼燒1～3h，除去未反應(yīng)的碳；4)、酸洗用氫氟酸或硝酸去除產(chǎn)物中的多余二氧化硅，再經(jīng)洗滌、過濾、干燥，最終得到碳化硅產(chǎn)品。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備碳化硅納米線的方法，其特征在于所述硅質(zhì)原 料包括硅礦、石英、廢光纖、廢石英和生物質(zhì)灰廢料中的一種；所述碳質(zhì)還原劑包括 碳、竹炭、煤、廢活性炭、焦煤和褐煤中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備碳化硅納米線的方法，其特征在于所述碳質(zhì)還原劑固定碳含量90%以上，所述硅質(zhì)原料純度99%以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備碳化硅納米線的方法，以硅礦、石英、廢光纖、廢石英和生物質(zhì)灰廢料等含SiO₂的廢料為原料，以碳、竹炭、煤、廢活性炭、焦煤和褐煤等為還原劑，兩者按摩爾比1∶0.5～6進(jìn)行配比混合，經(jīng)真空碳熱還原，控制真空度10^-2～10^-4Pa，溫度700℃～2000℃，還原反應(yīng)時(shí)間10min～2h，反應(yīng)后自然冷卻至室溫，再經(jīng)700～900℃下灼燒及洗滌、過濾、干燥，制備得直徑為30-120nm，長度在微米級SiC納米線。
文檔編號C01B31/36GK101386409SQ200810233449
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者伍繼君, 劉大春, 徐寶強(qiáng), 戴永年, 朱文杰, 斌 楊, 汪鏡福, 華 王, 博 秦, 羅曉剛, 馬文會, 魏奎先 申請人:昆明理工大學(xué)