一種炭材料表面碳化硅納米晶須及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于碳化硅納米晶須技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種炭材料表面碳化硅納米晶須及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅納米晶須（SiC_w）是一種直徑為納米至微米級的高純單晶材料?；谄渫昝赖木w結(jié)構(gòu)，碳化硅晶須具有高熔點（>2700℃）、低密度、抗拉伸強度優(yōu)異（拉伸強度為2100MPa）以及良好的比強度和比彈性模量的力學性能，被廣泛用作各種高性能材料的補強增韌添加劑。同時，一維碳化硅納米晶須具有優(yōu)異的光學和電學性能，能在高溫、高能和高頻等嚴苛環(huán)境下工作，因此在制備先進納米光電子器件方面具有誘人的應用前景。另一方面，炭纖維與碳化硅納米晶須復合能夠有效過濾柴油中微粒，是一種新型廉價、輕質(zhì)的過濾設備，有較大的工業(yè)應用價值；在電化學領(lǐng)域，碳化硅納米晶須與炭材料復合后，成為性能優(yōu)異的鋰電池負極材料和超級電容器的電極材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。

目前，SiC晶須的制備工藝主要包括化學氣相沉積法(CVD)、碳熱還原法、前驅(qū)體裂解法和碳納米炭管限制反應法等。

化學氣相沉積法(CVD)是應用較廣泛的方法，該方法利用含碳和硅的氣體或利用能夠分解形成含碳和含硅的氣體有機物作為原料，制備SiC晶須。

化學氣相沉積工藝需要嚴格控制反應物及載氣流量，對設備要求較高，工藝周期較長，因而碳化硅晶須制備成本較高，且在碳化硅晶須的制備過程中伴隨大量有害有毒氣體產(chǎn)生，對環(huán)境危害較大。

碳熱還原法工藝需要較高的反應溫度（>1500℃），該工藝過程中一般需要催化劑的參與，此制備成本較高，催化劑參與大大影響碳化硅晶須純度和性能，限制碳化硅晶須的大量制備和應用。

前驅(qū)體裂解法一般采用聚碳硅烷為原料，經(jīng)過高溫裂解得到純度較高、長徑比教大的碳化硅晶須，但聚碳硅烷前驅(qū)體價格昂貴，不適宜作為大量制備碳化硅晶須的原料。

碳納米管限制法工藝簡單，反應條件溫和，無有毒有害氣體產(chǎn)生，且該工藝不需要催化劑參與，能夠制備高質(zhì)量高純度的碳化硅納米晶須。但該工藝中以納米炭管為碳源，價格昂貴，制備成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，目的是提供一種工藝簡單、反應條件溫和和環(huán)境友好的炭材料表面碳化硅納米晶須的制備方法；該方法制備的炭材料表面碳化硅納米晶須具有優(yōu)異的光學性能和電化學性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的具體步驟是：

步驟一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩爾比為1∶（0.25~4），將硅粉和二氧化硅粉混合均勻，得到硅源。

步驟二、將瀝青基炭纖維或瀝青基炭纖維氈置于高溫石墨化爐中，通入氬氣進行高溫炭化處理，高溫炭化處理的溫度為1000~2800℃，高溫炭化處理的時間為0.5~1h，得到碳源。

步驟三、按所述硅源∶所述碳源的摩爾比為1∶（0.25~4），將所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩堝中，然后將所述石墨坩堝放入高溫炭化爐中，抽真空至5~20Pa，再通入氬氣至常壓。

步驟四、在氬氣氣氛條件下，以10~20℃/min的速率將所述高溫炭化爐升溫至1200~1500℃，保溫0.5~3h，自然冷卻至室溫，制得炭材料表面碳化硅納米晶須。

所述硅粉的粒度為20~80μm。

所述二氧化硅粉末的粒度為20~80μm。

由于采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

(1)本發(fā)明采用固相無機硅源和碳源，在無催化劑參與和在1200~1500℃時制得炭材料表面碳化硅晶須，工藝簡單，對設備無特殊要求，且制備過程中無有毒有害氣體釋放。

(2)本發(fā)明在炭材料表面制得大長徑比的碳化硅納米晶須，碳化硅晶須直徑為30~120nm，長度為30~150um。所制備的炭材料表面碳化硅納米晶須在室溫下經(jīng)激光激發(fā)表現(xiàn)出明顯藍移現(xiàn)象，發(fā)光波長為420~460nm，具有優(yōu)異的光致發(fā)光性能；作為鋰離子電池負極材料時容量為550~700mAh/g，表現(xiàn)出優(yōu)異電化學性能。

因此，本發(fā)明具有工藝簡單、反應條件溫和和環(huán)境友好的特點，制備的炭材料表面碳化硅納米晶須的光學性能和電化學性能優(yōu)異。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種炭材料表面碳化硅納米晶須的光學照片；

圖2為圖1所示炭材料表面碳化硅納米晶須的XRD譜圖；

圖3為圖1所示炭材料表面碳化硅納米晶須的低倍SEM照片；

圖4為圖1所示炭材料表面碳化硅納米晶須的高倍SEM照片。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步描述，并非對其保護范圍的限制。

為避免重復，先將本具體實施方式所述硅源的原料統(tǒng)一描述如下，實施例中不再贅述：

所述硅粉的粒度為20~80μm。

所述二氧化硅粉末的粒度為20~80μm。

實施例1

一種炭材料表面碳化硅納米晶須及其制備方法。本實施例的具體步驟是：

步驟一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩爾比為1∶（0.25~1），將硅粉和二氧化硅粉混合均勻，得到硅源。

步驟二、將瀝青基炭纖維置于高溫石墨化爐中，通入氬氣進行高溫炭化處理，高溫炭化處理的溫度為1000~1600℃，高溫炭化處理的時間為0.5~1h，得到碳源。

步驟三、按所述硅源∶所述碳源的摩爾比為1∶（0.25~1），將所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩堝中，然后將所述石墨坩堝放入高溫炭化爐中，抽真空至5~20Pa，再通入氬氣至常壓。

步驟四、在氬氣氣氛條件下，以10~20℃/min的速率將所述高溫炭化爐升溫至1200~1300℃，保溫0.5~1h，自然冷卻至室溫，制得炭材料表面碳化硅納米晶須。

本實施例制備的炭材料表面碳化硅納米晶須：直徑為30~70nm；長度為30~70um。

實施例2

一種炭材料表面碳化硅納米晶須及其制備方法。本實施例的具體步驟是：

步驟一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩爾比為1∶（1~2），將硅粉和二氧化硅粉混合均勻，得到硅源。

步驟二、將瀝青基炭纖維氈置于高溫石墨化爐中，通入氬氣進行高溫炭化處理，高溫炭化處理的溫度為1600~2200℃，高溫炭化處理的時間為0.5~1h，得到碳源。

步驟三、按所述硅源∶所述碳源的摩爾比為1∶（1~2），將所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩堝中，然后將所述石墨坩堝放入高溫炭化爐中，抽真空至5~20Pa，再通入氬氣至常壓。

步驟四、在氬氣氣氛條件下，以10~20℃/min的速率將所述高溫炭化爐升溫至1300~1400℃，保溫1~2h，自然冷卻至室溫，制得炭材料表面碳化硅納米晶須。

本實施例制備的炭材料表面碳化硅納米晶須：直徑為50~100nm；長度為80~150um。

實施例3

一種炭材料表面碳化硅納米晶須及其制備方法。本實施例的具體步驟是：

步驟一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩爾比為1∶（2~3），將硅粉和二氧化硅粉混合均勻，得到硅源。

步驟二、將瀝青基炭纖維置于高溫石墨化爐中，通入氬氣進行高溫炭化處理，高溫炭化處理的溫度為2200~2800℃，高溫炭化處理的時間為0.5~1h，得到碳源。

步驟三、按所述硅源∶所述碳源的摩爾比為1∶（3~4），將所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩堝中，然后將所述石墨坩堝放入高溫炭化爐中，抽真空至5~20Pa，再通入氬氣至常壓。

步驟四、在氬氣氣氛條件下，以10~20℃/min的速率將所述高溫炭化爐升溫至1400~1500℃，保溫2~3h，自然冷卻至室溫，制得炭材料表面碳化硅納米晶須。

本實施例制備的炭材料表面碳化硅納米晶須：直徑為80~120nm；長度為50~100um。

實施例4

一種炭材料表面碳化硅納米晶須及其制備方法。本實施例的具體步驟是：

步驟一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩爾比為1∶（3~4），將硅粉和二氧化硅粉混合均勻，得到硅源。

步驟二、將瀝青基炭纖維氈置于高溫石墨化爐中，通入氬氣進行高溫炭化處理，高溫炭化處理的溫度為1600~2200℃，高溫炭化處理的時間為0.5~1h，得到碳源。

步驟三、按所述硅源∶所述碳源的摩爾比為1∶（2~3），將所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩堝中，然后將所述石墨坩堝放入高溫炭化爐中，抽真空至5~20Pa，再通入氬氣至常壓。

步驟四、在氬氣氣氛條件下，以10~20℃/min的速率將所述高溫炭化爐升溫至1300~1400℃，保溫1~2h，自然冷卻至室溫，制得炭材料表面碳化硅納米晶須。

本實施例制備的炭材料表面碳化硅納米晶須：直徑為60~110nm；長度為70~130um。

本具體實施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

(1)本具體實施方式采用固相無機硅源和碳源，在無催化劑參與和在1200~1500℃時制得炭材料表面碳化硅晶須，工藝簡單，對設備無特殊要求，且制備過程中無有毒有害氣體釋放。

(2)本具體實施方式在炭材料表面制得大長徑比的碳化硅納米晶須。圖1為實施例2制備的一種炭材料表面碳化硅納米晶須的光學照片；圖2為圖1所示炭材料表面碳化硅納米晶須的XRD譜圖；圖3為圖1所示炭材料表面碳化硅納米晶須的低倍SEM照片；圖4為圖1所示炭材料表面碳化硅納米晶須的高倍SEM照片。由圖1可以看出，炭纖維氈由黑色變?yōu)榛野咨?，表明炭纖維表面碳化硅晶須生長密集；由圖2可以看出，碳化硅納米晶須的相組成主要為β-SiC，在36°、60°、72°附近的衍射峰依次對應β-SiC的（111）、（220）、（311）晶面，其中在26°左右的衍射峰對應炭纖維基體，表明在炭材料表面生長出大量碳化硅納米晶須；從圖3可以看出，炭纖維完全被碳化硅晶須包裹，碳化硅晶須長度為100-150μm；從圖4可以看出，碳化硅納米晶須比較均勻、光滑、無明顯結(jié)構(gòu)缺陷，碳化硅晶須直徑為80-120nm。因此，本具體實施方式制備的炭材料表面碳化硅晶須純度高、結(jié)晶度好和長徑比大，碳化硅晶須直徑為30~120nm，長度為30~150um。

本具體實施方式制備的炭材料表面碳化硅納米晶須在室溫條件下經(jīng)激光激發(fā)表現(xiàn)出明顯藍移現(xiàn)象，發(fā)光波長為420~460nm，具有優(yōu)異的光致發(fā)光性能；如圖1所示制品作為鋰離子電池負極材料時容量為550~700mAh/g，表現(xiàn)出優(yōu)異電化學性能。

因此，本具體實施方式具有工藝簡單、反應條件溫和和環(huán)境友好的特點，制備的炭材料表面碳化硅納米晶須的光學性能和電化學性能優(yōu)異。