專利名稱：發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅納米線的制備方法，尤其是可大量制備立方相碳化硅納米線的制備方法，該方法關(guān)鍵在于利用無機(jī)硅源和碳源，用較簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的工藝，批量制備立方相碳化硅納米線。這些納米線的直徑在100 nm以下，長(zhǎng)度為幾十微米。在紫外光激發(fā)下，這些納米線有較強(qiáng)藍(lán)光發(fā)射。
背景技術(shù)：
碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，立方相碳化硅(3C_SiC)納米線具有一系列優(yōu)于碳化硅體材料或碳化硅體材料不具備的特殊性能。如碳化硅納米線的熱、化學(xué)穩(wěn) 定性優(yōu)良，可用于極端環(huán)境中；楊氏模量高于600 GPa，表明其可作為一種理想的增強(qiáng)增韌添加劑材料；納米線在紫外到藍(lán)光范圍內(nèi)有較好的光發(fā)射，這表明其可應(yīng)用于光電領(lǐng)域；此外，3C-SiC納米線還有一些極特殊的性能，如優(yōu)良的光催化性能，優(yōu)異的場(chǎng)致發(fā)射性能，良好的生物兼容性，高儲(chǔ)氫能力，理想的隧道顯微鏡針尖材料，催化劑載體材料等。碳化硅納米線這一系列優(yōu)異性能，使之在信息技術(shù)、能源、環(huán)境、材料和生物技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域具有極廣泛的應(yīng)用前景。目前還缺少一種簡(jiǎn)單安全、能大批量制備形貌尺寸都均一可控的立方相碳化硅納米線生產(chǎn)工藝。根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，已有一些物理化學(xué)方法，包括物理蒸發(fā)法，化學(xué)氣相沉積法，碳熱還原法，碳納米管模板法，電弧放電法，水熱法，激光燒蝕法等用于制備碳化硅納米線，但是這些方法還不能被大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)所采用。這主要是因?yàn)檫@些方法常常需要一些非?？量痰膶?shí)驗(yàn)條件，如高制備溫度(最高達(dá)1700 ° C)，高真空(以防碳源或硅源高溫下氧化)，水熱法所必需的高壓等。一些有毒、易燃易爆的有機(jī)物有時(shí)被用來提供硅源或碳源，有些反應(yīng)物的價(jià)格昂貴，如碳納米管。大多制備方法生成物的量有限，且工藝過程復(fù)雜，這些都會(huì)限制碳化硅納米線的實(shí)際應(yīng)用。所以現(xiàn)在碳化硅納米線的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)急需解決的問題，就是是尋找一個(gè)安全、廉價(jià)，并且可以批量生產(chǎn)的制備工藝。因此，本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)單安全、可大批量制備立方相碳化硅納米線工藝技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有制備碳化硅納米線工藝的缺陷，提供一種可以較大批量，工藝過程安全、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的碳化硅納米線的制備技術(shù)。該技術(shù)方案以一氧化硅(SiO)和活性碳粉末為原料，在氬氣保護(hù)、無真空的環(huán)境下，高溫反應(yīng)生成直徑100 nm以下，長(zhǎng)度為幾十微米以上的立方相碳化硅納米線。這些納米線具有強(qiáng)藍(lán)光發(fā)射。本發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法，其特征是，包括以下步驟
(I)粉碎一氧化娃粉末將市售分析純一氧化娃粉末與瑪瑙球(作為球磨媒介)一起加入聚氟乙烯罐中，瑪瑙球與一氧化硅粉末的重量比約為10-15:1，再在其中加入無水乙醇浸沒瑪瑙球與一氧化硅粉末，然后密封，用行星式球磨機(jī)球磨12-24小時(shí)，轉(zhuǎn)速為每分鐘300-400轉(zhuǎn)；球磨后的糊狀物在60-80 °C，減壓條件下干燥，得到尺度為幾百納米的納米一氧化硅粉末；
(2)高溫反應(yīng)生成立方相碳化硅納米線將經(jīng)過球磨后的納米一氧化硅粉末與活性碳粉末，分置于一個(gè)長(zhǎng)型氧化鋁舟的兩端，納米一氧化硅粉末與活性碳粉末的摩爾比為1:2-3，一氧化硅粉末與活性碳粉末疏松地平鋪于氧化鋁舟中，中間間隔O. 9-1. I cm，然后在平鋪有一氧化硅粉末與活性碳粉末的氧化鋁舟上面對(duì)面蓋上一個(gè)規(guī)格相同的氧化鋁舟，將其放在一個(gè)氧化鋁管中，并一起置于一水平管式爐中，在2小時(shí)之內(nèi)將管式爐分次加熱至1200-1300 °C，保溫2-4小時(shí)后關(guān)閉管式爐電源，自然降溫至室溫；在管式爐加熱之前，往氧化鋁管中通入純度為99%的氬氣，流量為每分鐘500立方厘米，時(shí)間為20分鐘，以排除管道中的空氣；開始加熱后，氬氣的流量降到每分鐘40立方厘 米，直至管式爐降溫至室溫，制得立方相碳化硅納米線混合物；
(3)立方相碳化硅納米線的純化在制得立方相碳化硅納米線混合物中收集高溫反應(yīng)后的活性碳粉末堆，去除反應(yīng)后剩余的活性碳粉末，將活性碳粉末堆在空氣中加熱至為600-700 °C，保溫2-3小時(shí)，即得到立方相碳化硅納米線，該立方相碳化硅納米線在紫外光激發(fā)下，有較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)射。本發(fā)明工藝方法合理、簡(jiǎn)單、先進(jìn)，所用原料為一氧化硅和活性碳粉末，均為無機(jī)原料，與有機(jī)硅、碳源相比，具有高溫下不易燃易爆，制備過程中無污染，價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)過程中以氬氣保護(hù)，而非真空排除空氣以防原料氧化。制備過程中不使用真空設(shè)備，這樣簡(jiǎn)化了工藝設(shè)備與制備過程。制備溫度在1300 °C以下，不再需要價(jià)格較為昂貴的硅鑰棒加熱爐，只需一般硅碳棒加熱爐就能制備碳化硅納米線。本發(fā)明的立方相碳化硅納米線的制備技術(shù)，安全經(jīng)濟(jì)，工藝設(shè)備與制備過程都較簡(jiǎn)單，并可一次制備較大批量的產(chǎn)品。經(jīng)過X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡測(cè)試，證實(shí)產(chǎn)品為單一的立方相碳化硅納米線，納米線的直徑在100 nm以下，長(zhǎng)度在幾十微米以上。經(jīng)過光致發(fā)光譜的測(cè)試表明，納米線在紫外光的激發(fā)下，在波長(zhǎng)為416和439 nm處有兩個(gè)較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)光峰，表明本工藝制備的立方相碳化硅不僅可用于材料的增強(qiáng)增韌添加劑，而且可用于下一代的光電材料。
圖I為本發(fā)明制得的發(fā)光立方相碳化硅納米線的X射線衍射說 圖2為本發(fā)明制得的發(fā)光立方相碳化硅納米線的掃描電子顯微照片。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及的原料一氧化硅為分析純，活性碳為化學(xué)純，保護(hù)氣體氬氣的純度為99%，無水乙醇為分析純，都是市場(chǎng)上可購(gòu)的。稱取一定量的一氧化硅粉末，按一氧化硅與瑪瑙球的重量比1:10-15加入到聚氟乙烯球磨罐中，瑪瑙球的直徑在5 mm到15 mm之間，加入適量的無水乙醇(加入量為基本浸沒瑪瑙球與一氧化硅粉末，保護(hù)一氧化硅粉末在球磨過程不被空氣氧化。)后密封，用行星式球磨機(jī)球磨12-24小時(shí)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為每分鐘300-400轉(zhuǎn)。球磨結(jié)束后，將得到的糊狀物在60-80 ° C減壓條件下干燥，得到納米一氧化硅粉末。按摩爾比為1:2-3稱取球磨后納米一氧化硅粉末與活性碳粉末，疏松地平鋪于氧化鋁舟的兩端，中間間隔I. O Cm左右，在該氧化鋁舟上面對(duì)面蓋上一個(gè)規(guī)格相同的氧化鋁舟。在水平管式爐中放一氧化鋁管，將氧化鋁舟放在這個(gè)氧化鋁管中，并位于管式爐的中間位置。向氧化鋁管中通高純氬氣20分鐘，流量為每分鐘500立方厘米左右，以排除管道中的空氣，然后將氬氣流量降至每分鐘40立方厘米左右，開啟管式爐電源，在2小時(shí)之內(nèi)將管式爐加熱至1200-1300 °C，保溫2-4小時(shí)后關(guān)閉管式爐電源，讓其自然冷卻至室溫。收集高溫反應(yīng)后的活性碳粉末堆，去除反應(yīng)剩余的活性碳粉末，將其在空氣中，600-700 °C加熱2-3小時(shí)，即可得到高純立方相碳化硅納米線。對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，得到圖I、圖2等。由圖I我們可以看出，使用本發(fā)明所制備的樣品的X射線衍射譜圖與標(biāo)準(zhǔn)立方相碳化硅的X射線衍射峰位一致，沒有其它雜相，表明用本發(fā)明的技術(shù)制備的產(chǎn)品為高純立方相碳化硅。圖2為用本發(fā)明技術(shù)制備的立方相碳化硅納米線的掃描電鏡照片，從圖中可以看出，產(chǎn)品為納米線，沒有顆粒等其它結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)納 米線的直徑在100 nm以下，納米線的長(zhǎng)度在幾十微米以上。單根納米線的直徑均一，表面光滑。通過透射電子顯微鏡的觀測(cè)，進(jìn)一步表明納米線為高純立方相碳化硅，每一根納米線具有均一的直徑，光滑的表面。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的光致發(fā)光譜測(cè)量表明，在波長(zhǎng)為360 nm的紫外光的照射下，納米線有較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)射，在波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為416和439 nm處有兩個(gè)較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)光峰。這些測(cè)試表明本發(fā)明工藝制備的立方相碳化硅，純度高，直徑均一，長(zhǎng)度長(zhǎng)，不僅可用于材料的增強(qiáng)增韌添加劑，而且可用于下一代的光電材料。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法，其特征是，包括以下步驟 (1)粉碎一氧化硅粉末將市售分析純一氧化硅粉末與瑪瑙球一起加入聚氟乙烯罐中，瑪瑙球與一氧化硅粉末的重量比約為10-15:1，再在其中加入無水乙醇浸沒瑪瑙球與一氧化硅粉末，然后密封，用行星式球磨機(jī)球磨12-24小時(shí)，轉(zhuǎn)速為每分鐘300-400轉(zhuǎn)；球磨后的糊狀物在60-80 ° C， 減壓條件下干燥，得到尺度為幾百納米的納米一氧化硅粉末； (2)高溫反應(yīng)生成立方相碳化硅納米線將經(jīng)過球磨后的納米一氧化硅粉末與活性碳粉末，分置于一個(gè)長(zhǎng)型氧化鋁舟的兩端，納米一氧化硅粉末與活性碳粉末的摩爾比為1:2-3，一氧化硅粉末與活性碳粉末疏松地平鋪于氧化鋁舟中，中間間隔O. 9-1. I cm，然后在平鋪有一氧化硅粉末與活性碳粉末的氧化鋁舟上面對(duì)面蓋上一個(gè)規(guī)格相同的氧化鋁舟，將其放在一個(gè)氧化鋁管中，并一起置于一水平管式爐中，在2小時(shí)之內(nèi)將管式爐分次加熱至1200-1300 °C，保溫2-4小時(shí)后關(guān)閉管式爐電源，自然降溫至室溫；在管式爐加熱之前，往氧化鋁管中通入純度為99%的氬氣，流量為每分鐘500立方厘米，時(shí)間為20分鐘，以排除管道中的空氣；開始加熱后，氬氣的流量降到每分鐘40立方厘米，直至管式爐降溫至室溫，制得立方相碳化硅納米線混合物； (3)立方相碳化硅納米線的純化在制得立方相碳化硅納米線混合物中收集高溫反應(yīng)后的活性碳粉末堆，去除反應(yīng)后剩余的活性碳粉末，將活性碳粉末堆在空氣中加熱至為600-700 °C，保溫2-3小時(shí)，即得到立方相碳化硅納米線，該立方相碳化硅納米線在紫外光激發(fā)下，有較強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可批量制備發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法。該技術(shù)先將一氧化硅粉末經(jīng)球磨減小粒徑，再與活性炭粉末置于一氧化鋁舟的兩端，在其上蓋一同規(guī)格氧化鋁舟后放入管式爐中反應(yīng)。反應(yīng)前向氧化鋁管中以每分鐘500立方厘米的流量通氬氣20分鐘，將流量降至每分鐘40立方厘米后加熱管式爐至1200-1300oC，保溫2-4小時(shí)后關(guān)閉管式爐電源，讓其自然冷卻。收集反應(yīng)后的活性炭粉末堆，并在空氣中以600-700oC加熱2-3小時(shí)，即可得到高純立方相碳化硅納米線。本發(fā)明工藝過程簡(jiǎn)單安全，可批量制備，產(chǎn)品純度高，直徑均一，長(zhǎng)度長(zhǎng)，有較強(qiáng)藍(lán)發(fā)射，不僅可用于材料的增強(qiáng)增韌添加劑，而且可用于下一代的光電材料。
文檔編號(hào)C01B31/36GK102616782SQ20121010821
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者吳悅迪, 朱駿, 陳小兵, 陳海濤 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)