专利名称：一种碳化硅纳米无纺布及其制备方法
技术领域：
本发明涉及--种SiC纳米线材料及其制备方法。
背景技术：
无纺布,英文名norweaven,又称作不织布或非织造布,是一种不需纺织而形成的 织物,只是将纺织短纤维或者长丝进行定向或随机撑列，形成纤网结构，然后采用机械、热 粘或化学等方法加固而成。与传统的紡织布相比，无纺布不是由一根一根的纱线交织、编结 在一起的,而是将纤维直接通过物理的方法粘合在一起的,突破了传统的纺织原理，并具有 工艺流程短、生产速度快,产量高、成本低、用途广、原料来源多等特点。如今,无纺布已深入到国民经济的各个部门，广泛应用于医疗卫生及保健、服装与 制鞋、皮革(合成革)、家用装饰材料、过滤材料、绝缘材料、包装材料、土木工程、建筑、水利、 汽车工业、农业、军工国防等领域。例如粗而硬的椰壳纤维、细而软的棉短绒、玻璃短纤维、 碳纤维、石墨纤维、不绣钢纤维等,都已被用于非织造布生产，以制得一些性能优异而为现 代化工业发展必不可少的特殊工业用布。碳化硅(SiC)是一种宽禁带半导体材料，具有宽带隙、高临界击穿电压、高热导率、 高 载流子迁移率等特点,在高频，大功率，耐高温，抗辐射照的半导体器件及紫外探测器和 短波发光二极管等方面具有重要的应用前景。同时’ SiC又具有优异的物理化学稳定性和 力学性能,使其在结构材料和复合材料增强领域得到广泛应用。SiC纳米纤维，除了具备上 述的诸多优异性能外，还因纳米尺寸效应和表面效应而具备一些新颖的光学、电学性能，并 且具有极高的力学性能。近来，美国哈佛大学Lieber等人的研究成果表明SiC纳米线的 弹性模量可达610-660GPa,接近该材料的理论值。所以，SiC纳米纤维在增强复合材料领域 具有极大的优势。然而，SiC纳米纤维在实际应用中却出现了较多困难。例如，用作复合材料增强体 使用时，SiC纳米纤维容易团聚而造成与基体混合不均匀等问题；用于光电子和催化领域 时,也因难以成为固定形状而无法获得应用。这些客观存在的困难与问题,使SiC纳米纤维 的应用受到极大的限制。若能将SiC纳米纤维做成“编制体”,上述的问题可以被解决。但 是，SiC纳米纤维长度通常只有几十到几百微米，最长也只能达到毫米或厘米，无法满足纺 织和编制的要求，也就无法实现“制备SiC纳米纤维编织体”的目标。所以，制备出SiC纳 米纤维为基础的无纺布成为解决问题的唯一途径。然而,到目前为止尚未有SiC纳米无纺布的相关报道,为了解决上述SiC纳米纤维 在实际应用中的缺点与不足，低成本、高产率地制备出一种SiC纳米无纺布已迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供--种碳化硅纳米无纺布及其制备方法,解决现有SiC纳米纤 维在实际应用中易团聚、分散不均匀、难以形成固定形状的问题。本发明的碳化硅纳米无纺布是由SiC纳米纤维自组装交叉叠加在一起形成，呈三维空间网状结构,SiC纳米无纺布的厚度为0. 2~50mm,其中，单根SiC纳米纤维为β -SiC的 单晶相，直径5(T200nm，长度为50微米至5厘米。本发明的碳化硅纳米无纺布的制备方法是通过以下步骤实现的
一、非晶态Si-B-0-C复合粉体的制备a、按C和Si摩尔比为2 5:1的比例将蔗糖加入 硅溶胶中，再加入硼酸,搅拌3 5h得复合溶胶,然后将复合溶胶在7(T12(TC的温度下放置 6(T84h得千凝胶粉，其中加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为2 10g: Imol ；b、将 a步骤得到的干凝胶粉置于管式炉内，然后以8 12°C /s的升温速率加热到70(Γ1000 ,保 温0. 5 2h，然后随炉冷却即得非晶态Si-B-0-C复合粉体，本步骤b过程中以SOiTlOOOmL/ min的速率通入惰性气体；
二、SiC纳米无纺布的制备a、将步骤一得到的非晶态Si-B-O-C复合粉体球磨 20~120min得细粉，然后将细粉加入无水乙醇中搅拌l(T30min得浆料，将浆料涂覆在石墨 坩埚底部,然后在室温下静置广5h,其中非晶态Sim复合粉体质量与无水乙醇体积的 比例为Ig:2 SmL ；b、将步骤a得到的石墨坩埚放入气氛烧结炉中,然后将气氛烧结炉抽真 空至0. IPa时，再向气氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为0.广IMPa，然后以8 12°C /min 的速率从室温升至50(Γ600 ,然后调节升温速率为3 6°C /min，继续升温至900°C时再调 节升温速率为8~12°C /min,升温至130(广1 SOiTC,保温2 20h,再以循环水将石墨坩埚冷却 至室温，即得碳化硅纳米无纺布。本发明的碳化硅纳米无纺布主要由单晶的β-SiC纳米纤维自组装相互交织而 成，形成三 维网状结构，外观为布或毡子状，无需外加机械压力或粘结剂情况下即可自组装 生长而成，具有节能环保、工艺简单、成本低廉的优势。本发明的碳化硅纳米无纺布的尺寸 (长度和宽度)可以无限大,只有反应设备的空间足够大，无纺布也可以无限大。本发明的碳化硅纳米无紡布解决了现有碳化硅纳米纤维应用困难，应用过程中易 团聚、分散不均匀、难以形成固定形状的缺点，由本发明的碳化硅纳米无纺布作为增强相得 到的复合材料中SiC纳米纤维的分布均匀，所占体积分数大,得到的复合材料的机械性能 更均衡，复合材料力学性能各向同性,并且抗断裂强度高,力学和热学性能大大提高,更适 合高温的使用环境，扩大了复合材料的使用范围。用于光电子和催化领域时，具有固定形状 而获得很好的应用。本发明采用利用溶胶-凝胶法制备得到的非晶态SiK-C复合粉体和无水乙醇 作为原料,在气氛烧结炉中通过不同升温速率的分段式升温方式进行热处理即可自组装得 到碳化硅纳米无纺布，碳化硅纳米无纺布的产率高，可高达60%。其中溶胶_凝胶法中选用 硅溶胶和蔗糖分别作为Si源和C源，有利于促进碳热还原反应的进行，而且成本低，方法成 熟,工艺简单。因此,本发明制备方法工艺简单、成本低、制备周期短,且能够实现对产物结 构和形貌的控制，更重要的是可以大规模、高产率地制备得到SiC纳米无纺布。对SiC纳米 纤维在复合材料、催化以及光电子等领域的应用具有重大的推动作用。本发明步骤一 a中加入了硼酸，使得溶胶凝胶化时间变短(3飞h)，证明硼酸有促 进交联的作用；步骤一 a得到的干凝胶粉为红棕色，经步骤一 b的热处理后干凝胶粉裂解 后除去自由水和结合水得到黑色具有光泽的非晶态Si-B-O-C复合粉体。得到的非晶态 Si-B-O-C复合粉体中SiO2和C在纳米量级充分混合均匀，使得其可以在无水乙醇的作用 下，经气氛烧结炉的热处理即可得到碳化硅纳米无纺布。
本发明步骤二 a步骤中首先将非晶态Si-B-O-C复合粉体球磨成细粉状,再与无水 乙醇混合得浆料，浆料中的非晶态Si-B-O-C复合粉体活性高；步骤二 b中在60(T90(TC温 度区间，采用较慢升温速率进行升温过程，使步骤二 a的浆料中的乙醇分解，分解产物有利 于SiC纳米线产量的提高，并且能够促进纳米纤维自组装成SiC纳米无纺布。
图1是具体实施方式
一的碳化硅纳米无纺布的宏观照片；图2是具体实施方式
一 中碳化硅纳米无纺布的XRD谱图；图3是具体实施方式
一的碳化硅纳米无纺布的低倍扫描 电镜(SEM)照片；图4是具体实施方式
一的碳化硅纳米无纺布的高倍扫描电镜(SEM)照片； 图5是具体实施方式
三十四得到的碳化硅纳米无纺布中纳米纤维的透射电镜(TEM)照片； 图6是对应于图5中纳米纤维的选取电子衍射斑点及标定。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的 任意组合。
具体实施方式
一本实施方式碳化硅纳米无纺布是由SiC纳米纤维自组装交叉叠 加在一起形成，呈三维空间网状结构,SiC纳米无纺布的厚度为0. 2 50mm,其中，单根SiC纳 米纤维为β -SiC的单晶相，直径为5(T200nm，长度为50微米至5厘米。本实施方式的碳化硅纳米无纺布由β SiC单晶纳米纤维组成，而且碳化硅纳米 纤维相互交织，分布均匀,碳化硅纳米纤维尺度均一,单根碳化硅纳米纤维的长度能够达到 厘米量级(主要分布在1毫米至2厘米),单根碳化硅纳米纤维的长径比达到102 105。本实施方式的碳化硅纳米无纺布作为增强相得到的复合材料中SiC纳米纤维的 分布均匀，所占体积分数大，得到的复合材料的机械性能更均衡，复合材料力学性能各向同 性,并且抗断裂强度高,力学和热学性能大大提高,更适合高温的使用环境,扩大了复合材 料的使用范围。本实施方式制备得到的碳化硅纳米无纺布的宏观照片如图1所示，可见碳化硅纳 米无纺布在宏观上呈布或毡子状，约5mm厚，纳米布的直径为15cm。本实施方式对制备得到的碳化硅纳米无纺布进行1-射线衍射物相分析，XRD谱 图如图2所示，结果显示只有β-SiC衍射峰存在,20=35.8° ,20=60° ,20=71.9°是 β-SiC的析晶峰分别对应(111)、(220)、(311)晶面族。本实施方式对碳化硅纳米无纺布进行扫描电子显微镜(SEM)测试，得到的碳化硅 纳米无纺布的微观形貌，不同放大倍数的测试结果如图3和图4。可见，碳化硅无纺布中碳 化硅纳米纤维的粗细均匀(5(T200nm左右)、相互交叉叠加而成三维网络状结构。综上分析，本实施方式得到的碳化硅纳米无纺布由SiC纳米纤维自组装交叉叠加 在一起形成，SiC纳米无纺布的厚度为5mm，其中SiC纳米纤维为β SiC单晶相，直径分布 在5(广200ηηι，单根纳米纤维粗细均匀、长径比为1(广105。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是SiC纳米无纺布的厚度 为fT40mm。其它参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是SiC纳米无纺布的厚度为l(T30mm。其它参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是SiC纳米无纺布的厚度 为20mm。其它参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是单根SiC纳米 纤维为β-SiC的单晶相,直径为8(Tl50nm,长度为90μηι至5cm。其它参数与具体实施方 式一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是单根SiC纳米 纤维为β-SiC的单晶相,直径为10(广12() ,长度为Imm至2cm。其它参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
七本实施方式如具体实施方式
一所述的碳化硅纳米无纺布的制备 方法是通过以下步骤实现的
一、非晶态Sim复合粉体的制备a、按C和Si摩尔比为2\5:1的比例将蔗糖加 入硅溶胶中，再加入硼酸,搅拌3 5h得复合溶胶,然后将复合溶胶在70 12(TC的温度下放 置6(T84h得千凝胶粉，其中加入的硼酸与硅溶胶中氧化硅的质量比为广5:30 ；b、将a步 骤得到的干凝胶粉置于管式炉内，然后以8 12°C /s的升温速率加热到70(Γ1000 ，保温 0. 5 2h,然后随炉冷却即得非晶态Si-B-0-C复合粉体；步骤 一 b中以50(广lOOOmL/min的速 率通入惰性气体；
二、SiC纳米无纺布的制备a、将步骤一得到的非晶态Si-B-O-C复合粉体球磨 20~120min得细粉，然后向细粉中加入无水乙醇后搅拌IOlOmin得浆料，将浆料涂覆在 石墨坩埚底部，然后在室温下静置广5h,其中每克细粉中加入r8mL的无水乙醇；b、将 步骤a得到的石墨坩埚放入气氛烧结炉中，然后将气氛烧结炉抽真空至0. IPa时，再向 气氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为0.广IMPa，然后以8 12°C /min的速率从室温升 至500^6000C ,然后调节升温速率为3飞。C /min,继续升温至900°C时,再调节升温速率为 8~12°C /min,升温至130(广1800°C，保温2 20h,再以循环水将石墨坩埚冷却至室温，即得碳 化硅纳米无纺布。本实施方式制备得到的碳化硅纳米无纺布是由SiC纳米纤维自组装交叉叠加在 一起形成，呈三维空间网状结构，SiC纳米无纺布的厚度为0. 2 50mm，其中，单根SiC纳 米纤维为β -SiC的单晶相，直径为5(广20() ,长度为50微米至5厘米,长度主要分别在 lmm~2cm0本实施方式利用溶胶-凝胶法制备得到的球磨后的非晶态Si-B-O-C复合粉体和 乙醇作为原料，非晶态Sim复合粉体中的Sio2和c活性高，可以促进碳热还原反应的 进行；通过气氛烧结炉中60(广90(rc的升温阶段的较慢的升温速率，使酒精分解,其分解产 物可以促进碳化硅纳米纤维的生产，并自组装得到碳化硅纳米无纺布，碳化硅纳米无纺布 的产率高，达到60%。本实施方式的制备方法工艺简单，操作方便，生产成本降低，制备周期短,且能够 实现对产物结构和形貌的控制,更重要的是可以大规模、高产率地制备得到SiC纳米无纺 布。本实施方式的步骤一中的溶胶凝胶法具有制备粉末粒径小，组织均匀等优良性 能，故本实施方式选用硅溶胶和蔗糖提供Si源和C源,并且这种原料选择可以促进碳热还原反应进行。硅溶胶和蔗糖充分混合得到复合溶胶,将复合溶胶加热出去自由水的到凝胶， 此时SiO2基团包覆着蔗糖分子基团。将此千凝胶在高温裂解，则蔗糖分子中除去内部的结 合水得到C颗粒，同时除去凝胶中的自由水。本实施方式得到的碳化硅纳米无纺布的大小由制备过程中使用的石墨坩埚的大 小决定,可依具体应用相应的选择合适的石墨坩埚，得到预期的产品。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
七不同的是步骤一 a中按C和Si摩 尔比为3:1的比例将蔗糖加入硅溶胶中。其它步骤及参数与具体实施方式
七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
七或八不同的是步骤一 a中然后将 复合溶胶在80 10(rc的温度下放置68 76h得干凝胶粉。其它步骤及参数与具体实施方式
七或八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
七或八不同的是步骤一 a中然后将 复合溶胶在90°C的温度下放置72h得干凝胶粉。其它步骤及参数与具体实施方式
七或八相 同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
七至十之一不同的是步骤一 a中 加入的硼 酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为r8g:lmol。其它步骤及参数与具体实施方 式七至十之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
七至十之一不同的是步骤一 a中 加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为6g:lmol。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十之一相同。
具体实施方式
卜三本实施方式与具体实施方式
七至卜二之一不同的是步骤一 b 中然后以fire /s的升温速率加热到75(T90(TC。其它步骤及参数与具体实施方式
七至 十二之一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
七至十二之一不同的是步骤一 b 中然后以l(rc /s的升温速率加热到800°C。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十二之 一相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
七至十四之一不同的是步骤一 b 中保温广1.8h。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十四之一相同。
具体实施方式
卜六本实施方式与具体实施方式
七至卜四之一不同的是步骤一 b 中保温1. 5h。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十四之一相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
七至十六之一不同的是步骤一 b 中以60(T900mL/min的速率通入惰性气体。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十六之一 相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
七至十六之一不同的是步骤一 b 中以SOOmL/min的速率通入惰性气体。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十六之一相 同。
具体实施方式
卜九本实施方式与具体实施方式
七至卜八之一不同的是步骤二 a 中球磨采用离心球磨机,控制转速为20(Γ400转/分钟,料球质量比为1:2飞。其它步骤及 参数与具体实施方式
七至十八之一相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
七至十九之一不同的是步骤二 a中将步骤--得到的非晶态Si-B-O-C复合粉体球磨6(Tl00min得细粉。其它步骤及参数与具体实施方式
七至十九之一相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
七至十九之一不同的是步骤二 a中将步骤一得到的非晶态Sim复合粉体球磨SOmin得细粉。其它步骤及参数与具体 实施方式七至十九之一相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
七至二十一之一不同的是步骤 二 a中将细粉加入无水乙醇中搅拌20min得浆料。其它步骤及参数与具体实施方式
七至 二卜一之一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
七至二十二之--不同的是步骤 二 a中非晶态Si-B-O-C复合粉体质量与无水乙醇体积的比例为lg:4~7mL。其它步骤及参 数与具体实施方式
七至二十二之一相同。
具体实施方式
二卜四本实施方式与具体实施方式
七至二卜二之一不同的是步骤 二 a中非晶态Si-B-O-C复合粉体质量与无水乙醇体积的比例为lg:6mL。其它步骤及参数 与具体实施方式
七至二十二之一相同。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
七至二十四之一不同的是步骤 二 b中 再向气氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为0. 4~0. SMPa0其它步骤及参数与具体实 施方式七至二十四之一相同。
具体实施方式
二十六本实施方式与具体实施方式
七至二十四之一不同的是步骤 二 b中再向气氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为0. BMPa0其它步骤及参数与具体实施方 式七至二卜四之一相同。
具体实施方式
二十七本实施方式与具体实施方式
七至二十六之一不同的是步骤 二 b中然后以9~irC /min的速率从室温升至54(T59(TC。其它步骤及参数与具体实施方 式七至二十七之一相同。
具体实施方式
二十八本实施方式与具体实施方式
七至二十六之一不同的是步骤 二 b中然后以IO0C /min的速率从室温升至5800C0其它步骤及参数与具体实施方式
七至 二十七之一相同。
具体实施方式
二十九本实施方式与具体实施方式
七至二十八之一不同的是步骤 二 b中然后调节升温速率为5°C /min。其它步骤及参数与具体实施方式
七至二卜八之一相 同。
具体实施方式
三十本实施方式与具体实施方式
七至二十九之一不同的是步骤二 b中再调节升温速率为fire /min，升温至1500~1700°(。其它步骤及参数与具体实施方 式七至二十九之一相同。
具体实施方式
三十一本实施方式与具体实施方式
七至二十九之--不同的是步骤 二 b中再调节升温速率为10°C /min，升温至160(TC。其它步骤及参数与具体实施方式
七至 二十九之一相同。
具体实施方式
三卜二 本实施方式与具体实施方式
七至三卜一之一不同的是步骤 二 b中保温5 15h。其它步骤及参数与具体实施方式
七至三十一之一相同。
具体实施方式
三十三本实施方式与具体实施方式
七至三十一之一不同的是步骤 二 b中保温IOh0其它步骤及参数与具体实施方式
七至三十一之一相同。
具体实施方式
三十四本实施方式碳化硅纳米无纺布的制备方法是通过以下步骤 实现的一、非晶态Si-B-O-C复合粉体的制备a、按C和Si摩尔比为3:1的比例将蔗糖加 入硅溶胶中，再加入硼酸，搅拌5h得复合溶胶，然后将复合溶胶在900C的温度下放置72h得 干凝胶粉,其中加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为6g: Imol ；b、将a步骤得到的 干凝胶粉置于管式炉内，然后以10°C /s的升温速率加热到800°C,保温1. 5h,然后随炉冷却 即得非晶态Si-B-O-C复合粉体；步骤一 b中以SOOmL/min的速率通入惰性气体；
二、SiC纳米无纺布的制备a、将步骤一得到的非晶态Si-B-O-C复合粉体球磨SOmin 得细粉,然后将细粉加入无水乙醇中搅拌20η η得浆料,将浆料涂覆在石墨坩埚底部,然后 在室温下静置3h,其中非晶态Si-B-O-C复合粉体质量与无水乙醇体积的比例为lg:6mL ；b、 将步骤3得到的石墨坩埚放入气氛烧结炉中，然后将气氛烧结炉抽真空至0. IPa时，再向气 氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为0. 6MPa，然后以10°C /min的速率从室温升至600°C， 然后调节升温速率为5°C /min，继续升温至900°C时,再调节升温速率为10°C /min，升温至 Ieoo0C,保温20h,再以循环水将石墨坩埚冷却至室温，即得碳化硅纳米无纺布。本实施方式步骤二 a中球磨采用离心球磨机，控制转速为300转/分钟，料球质量 比为1:5。本实施方式在石墨坩埚中充满了由碳化硅纳米纤维交叉缠绕形成的碳化硅纳米 无纺布,从石墨坩埚中取出即得到直径为15cm,厚度为5cm的碳化硅纳米无纺布。本实施方 式得到的碳化硅纳米无纺布的宏观形貌如图1所示。
本实施方式对制备得到的碳化硅纳米无纺布进行1-射线衍射物相分析，测试得 到的XRD谱图与图2—致，如图2所示，结果显示只有β-SiC衍射峰存在，2Θ=35.8° , 2 0=60° ,2 0=71.9° 是 β-SiC 的析晶峰分别对应(111)、(220)、(311)晶面族。本实施方式对碳化硅纳米无紡布进行扫描电子显微镜(SEM)测试，得到的碳化硅 纳米无纺布的微观形貌与图4 (放大2000倍)一致。由图4可知,本实施方式的碳化硅纳 米无纺布中的碳化硅纳米纤维直径均一,分布均匀，单根碳化硅纳米纤维的长度能达到厘 米量级。本实施方式对得到的碳化硅纳米无纺布中的纳米纤维进行透射电镜(TEM)观察， 如图5所示，碳化硅纳米纤维直径均匀，约为120nm。对于该纳米纤维进行选取电子衍射 (SAED)分析,分析结果如图6所示,结果表明纳米纤维为结晶较好的β -SiC,由此可以验证 碳化硅纳米无纺布是由β -SiC纳米纤维自组装而成。综上分析，本实施方式得到的碳化硅纳米无纺布由SiC纳米纤维自组装交叉叠加 在一起形成，SiC纳米无纺布的厚度为5cm，SiC纳米纤维由β -SiC单晶组成，β -SiC单晶 纳米纤维的直径为120膽左右,单根纳米纤维的长度达到90 μ m至5cm。
具体实施方式
三十五本实施方式碳化硅纳米无纺布的制备方法是通过以下步骤 实现的一、非晶态Si-B-O-C复合粉体的制备a、按C和Si摩尔比为3:1的比例将蔗糖加 入硅溶胶中，再加入硼酸，搅拌5h得复合溶胶，然后将复合溶胶在900C的温度下放置72h得 干凝胶粉,其中加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为6g: Imol ；b、将a步骤得到的 干凝胶粉置于管式炉内，然后以10°C /s的升温速率加热到800°C,保温1. 5h,然后随炉冷却 即得非晶态Si-B-O-C复合粉体；步骤一 b中以SOOmL/min的速率通入惰性气体；
二、SiC纳米无纺布的制备a、将步骤一得到的非晶态Si-B-0 C复合粉体球磨120min得细粉，然后将细粉加入无水乙醇中搅拌30min得浆料,将浆料涂覆在石墨坩埚底部,然后 在室温F静置3h，其中非晶态Si-B-O-C复合粉体质量与无水乙醇体积的比例为lg:8mL ； b、将步骤a得到的石墨坩埚放入气氛烧结炉中，然后将气氛烧结炉抽真空至0. IPa时,再向 气氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为IMPa,然后以10°C /min的速率从室温升至600°C, 然后调节升温速率为5。C /min,继续升温至900 时,再调节升温速率为10 /min,升温至 1800°C，保温10h，再以循环水将石墨坩埚冷却至室温，即得碳化硅纳米无纺布。本实施方式步骤二 a中球磨采用离心球磨机，控制转速为300转/分钟，料球质量 比为1:5。本实施方式在石墨坩埚中充满了由碳化硅纳米纤维交叉缠绕形成的碳化硅纳米 无紡布，从石墨坩埚中取出即得到直径为15cm，厚度为3cm的碳化硅纳米无紡布。本实施方式得到的碳化硅纳米无纺布由SiC纳米纤维自组装交叉叠加在一起形 成,SiC纳米无纺布的厚度为3cm, SiC纳米纤维由β -SiC单晶组成,其中β SiC单晶的直 径为10(Tl50nm,单根纳米纤维的长度90 μ m至5cm。
具体实施方式
三十六本实施方式碳化硅纳米无纺布的制备方法是通过以下步骤 实现的一、非晶态SiK-C复合粉体的制备a、按C和Si摩尔比为3:1的比例将蔗糖加 入硅溶胶中，再加入硼酸，搅拌5h得复合溶胶，然后将复合溶胶在900C的温度 下放置72h得 干凝胶粉,其中加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为6g:lmol ；b、将a步骤得到的 千凝胶粉置于管式炉内，然后以10°C /s的升温速率加热到800°C，保温1. 5h,然后随炉冷却 即得非晶态Si-B-0-C复合粉体；步骤一 b中以SOOmLZmin的速率通入惰性气体；
二、SiC纳米无纺布的制备a、将步骤一得到的非晶态Si-B-0-C复合粉体球磨40min 得细粉,然后将细粉加入无水乙醇中搅拌30min得浆料,将浆料涂覆在石墨坩埚底部,然后 在室温下静置5h，其中非晶态Si-B-O-C复合粉体质量与无水乙醇体积的比例为lg:2mL ；b、 将步骤a得到的石墨坩埚放入气氛烧结炉中，然后将气氛烧结炉抽真空至0. IPa时，再向气 氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为().3MPa,然后以IiTC /min的速率从室温升至600°C， 然后调节升温速率为5°C /min,继续升温至900°C时,再调节升温速率为10°C /min,升温至 1300°C，保温15h，再以循环水将石墨坩埚冷却至室温，即得碳化硅纳米无纺布。本实施方式步骤二 a中球磨采用离心球磨机，控制转速为300转/分钟，料球质量 比为1:5。本实施方式在石墨坩埚中充满了由碳化硅纳米纤维交叉缠绕形成的碳化硅纳米 无纺布，从石墨坩埚中取出即得到直径为15cm，厚度为Icm的碳化硅纳米无纺布。本实施方式得到的碳化硅纳米无纺布由SiC纳米纤维自组装交叉叠加在一起形 成,SiC纳米无纺布的厚度为1cm,SiC纳米纤维由β-SiC单晶组成,其中β-SiC单晶纳米 纤维的直径为120nm,单根SiC纳米纤维的长度达到Imm至1cm。
权利要求
一种碳化硅纳米无纺布，其特征在于碳化硅纳米无纺布是由SiC纳米纤维自组装交叉叠加在一起形成，呈三维空间网状结构，SiC纳米无纺布的厚度为0.2~50mm，其中，单根SiC纳米纤维为β-SiC的单晶相，直径50~200nm，长度为50微米至5厘米。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅纳米无纺布，其特征在于SiC纳米无纺布的厚度 为5 40mmο
3.根据权利要求1所述的--种碳化硅纳米无纺布,其特征在于SiC纳米无纺布的厚度 为 10^30mmo
4.如权利要求1所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法，其特征在于碳化硅纳米无 纺布的制备方法是通过以下步骤实现的--、非晶态Si-B-O-C复合粉体的制备a、按C和Si摩尔比为2 5:1的比例将蔗糖加入 硅溶胶中，再加入硼酸，搅拌3~5h得复合溶胶，然后将复合溶胶在7(Γ120Γ的温度下放置 6(T84h得干凝胶粉，其中加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为2 10g:lmol ；b、将 a步骤得到的干凝胶粉置于管式炉内，然后以8~12°C /s的升温速率加热到70(n()0(rC,保 温0. 5 2h,然后随炉冷却即得非晶态Si-B-O-C复合粉体,本步骤b过程中以50(Tl000mL/ min的速率通入惰性气体； 二、SiC纳米无纺布的制备a、将步骤一得到的非晶态Sim复合粉体球磨 2(广120min得细粉，然后将细粉加入无水乙醇中搅拌liTSOrain得浆料,将浆料涂覆在石墨 坩埚底部，然后在室温下静置广5h,其中非晶态Si-B-O-C复合粉体质量与无水乙醇体积的 比例为lg:2 8mL ；b、将步骤a得到的石墨坩埚放入气氛烧结炉中，然后将气氛烧结炉抽真 空至0. IPa时，再向气氛烧结炉中通惰性气体至炉中压力为0.广IMPa，然后以8 12°C /min 的速率从室温升至50(广60(rC,然后调节升温速率为广6°C /min,继续升温至900 时，再调 节升温速率为纩12°C /min,升温至UOCTlSOOt,保温2 20h,再以循环水将石墨坩埚冷却 至室温，即得碳化硅纳米无纺布。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法，其特征在于步骤一a中 加入的硼酸质量与硅溶胶中硅摩尔量的比例为4~8g: Imol。
6.根据权利要求4或5所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法,其特征在于步骤二 a中球磨采用离心球磨机，控制转速为20(Γ400转/分钟，料球质量比为1:2 6。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法,其特征在于步骤二a中 其中非晶态Sim复合粉体质量与无水乙醇体积的比例为lg:r7mL。
8.根据权利要求4、5或7所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法,其特征在于步骤 二 b中然后以9 irC /min的速率从室温升至54(T590°C。
9.根据权利要求8所述的所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法，其特征在于步骤 二 b中然后调节升温速率为5°C /rain。
10.根据权利要求4、5、7或9所述的一种碳化硅纳米无纺布的制备方法,其特征在于步 骤二 b中再调节升温速率为/min，升温至150(Γ 70(Γ(。
全文摘要
一种碳化硅纳米无纺布及其制备方法，涉及SiC纳米线材料及其制备方法。本发明解决现有SiC纳米纤维在应用中易团聚、分散不均匀、难以形成固定形状的问题。无纺布由β-SiC单晶相纳米纤维自组装交叉叠加形成，厚度0.2~50mm，单根长度为50微米至5厘米。方法凝胶溶胶法制得非晶态Si-B-O-C复合粉体，然后将复合粉体研磨后与乙醇混合得浆料，再将浆料涂在坩埚底部后将坩埚置于气氛烧结炉，在惰性气氛中热处理即可。碳化硅纳米无纺布解决SiC纳米纤维难以应用的弊端，作为增强相得的复合材料中纳米纤维分布均匀，复合材料性能提高。方法简单，制备周期短，大规模、高产率地制备SiC纳米无纺布。
文档编号D04H1/42GK101845711SQ20101020448
公开日2010年9月29日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者孙梦, 张晓东, 朱建东, 温广武, 耿欣, 黄小萧 申请人:哈尔滨工业大学