专利名称：超疏水性SiC纳米纤维的合成方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域的方法，具体是一种超疏水性SiC纳米纤维的合成方法。
背景技术：
超疏水性能表面是指像荷叶一样具有自清洁功能的表面，因而在许多领域具有重要应用，比如各种玻璃、雷达、天线等各种需要防潮功能的材料。具有超疏水表面材料的应用可以为人类节省清洁费用和时间，可以借助雨水的作用自动清洗表面，特别是在一些高危险场合比如摩天大楼玻璃的清洗。目前人们对于各种有机物等材料进行了各种各样的疏水性能研究。具备接触角大于150度的超疏水性一般需要两个基本条件，一是材料表面有一定的粗糙度，二是表面自由能比较低。一维纳米材料由于其特殊的几何构造，表面具备一定的粗糙度，从而满足了疏水性的要求，因而包括纳米碳管、纳米硅线等一维纳米材料已经被研究用于超疏水性能。作为宽禁带宽度的SiC纳米纤维，由于其高的机械强度，高的热传导性，在高温、高频等恶劣环境下显示出良好的应用潜能，特别是在超硬材料增强剂和场发射性能方面，被普遍认为是一种极具潜力的纳米材料。因此，一维SiC纳米纤维在各个领域中的研究被广泛展开。但是人们对于SiC纳米纤维在超疏水性能方面，还没有开始研究。同时，对于具有降低表面自由能作用的含氟有机物，已经被用于多种超疏水性材料表面，而在一维SiC纳米纤维表面，还没有被应用研究。
经对现有技术的文献检索发现，没有发现有研究者对SiC纳米纤维进行超疏水性研究，只是对其它一些一维纳米材料进行了疏水性研究。比如Y.Coffinier等在《Langmuir》(《兰格缪尔》)2007年第23期第1608-1671页上发表的“Preparation of superhydrophobic silicon oxide nanowire surfaces”(制备超疏水性SiO2纳米纤维表面)，该文中提出在SiO2纳米纤维表面镀一层含氟有机物，从而得到接触角为150度的疏水表面。其不足在于制备程序复杂，成本较高，而且疏水性能不是很高。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，使其合成出超疏水性SiC纳米纤维，可以简单易行的在硅基底上大规模合成接触角大于150度的超疏水性SiC纳米纤维。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以惰性气体氩气为保护气体及载气，以ZnS粉末为选择性辅助剂，在硅片上生长成SiC纳米纤维，再在合成出的SiC纳米纤维表面蒸镀一层全氟硅烷，从而使SiC纳米纤维具备良好的疏水性能，得到接触角高于150度的超疏水性能SiC纳米纤维样品。
本发明包括具体步骤如下第一步，将硅片(底端包含或者不含ZnS粉末)放入石英管式炉中央，碳固态碳材料被固定在石英管一侧；第二步，将炉体温度升高到1100℃，在温度达到250℃时，通入惰性气体氩气；第三步，在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量SiC纳米纤维；第四步，将得到的SiC纳米纤维和全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，进行蒸镀反应，得到具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品。
第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，把碳固态碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧，如果不在硅片底端添加ZnS粉末，则可以得到无序大尺寸纳米SiC纤维；如果在硅片底端添加ZnS粉末，则可以得到有序小尺寸SiC纳米纤维结构。
第二步中，所述的将炉体温度升高到1100℃，升温速率为15℃/min。
第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为15l/h。
第三步中，所述的反应持续进行，持续时间为2-4小时。
第四步中，所述的全氟硅烷体积为0.05-0.2ml，蒸镀反应温度为150度，反应时间3.0小时。
本发明通过调整是否加入ZnS粉末，来控制形成SiC纳米纤维材料的结构。加入ZnS是为SiC的成核提供更多机会，能促使有序阵列的形成；而不加ZnS则会导致无序纳米SiC纤维，而且样品直径较大，结晶度较差。加入惰性保护气体氩气的目的主要是把CO气体带到硅片表面并与之反应。蒸镀一层全氟硅烷有机物是为了降低表面自由能，从而使疏水性能提高，接触角大于150度，而一般物体没有超疏水性，接触角只有几十度。
本发明工艺简单易行，原料采用便宜而应用广泛的硅片、碳材料和ZnS粉末，并且使用非常少含量的全氟硅烷，可以方便地通过简易管式炉和烘箱合成出高疏水性的SiC纳米纤维表面。
与现有技术相比，本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为选择性添加剂，以惰性气体氩气为保护气体，以全氟硅烷为表面改性有机物，制备工艺简单，成本低廉，对环境无污染；采用惰性气体保护，无明显易燃危险原料，气体价格低廉；设备工艺简单，所制备出的样品疏水性能高，接触角最高可达到156度。
图1为采用本发明所制备出无序SiC纳米纤维的扫描电镜(SEM)照片图2为接触角为156度的超疏水性SiC纳米纤维光学显微镜照片具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，ZnS粉末为选择性辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体，进行反应，从而形成SiC纳米纤维结构。ZnS的存在会使得分解出的S与硅发生反应生成SiS，SiS在较高温度下会升华并分解出Si和SiS2，分解出的Si再与氧气反应生成氧化物，从而为SiC的成核提供更多机会，能够促使有序阵列的形成。没有ZnS则会生成无序的SiC纳米纤维。将SiC纳米纤维和全氟硅烷密封放入不锈钢器罐中进行蒸镀反应，得到具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品。
实施例1
将装有3片干净硅片的陶瓷舟置于卧式石英管式炉中央，把固态碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为15l/h的氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行2小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量较大直径的无序SiC纳米纤维样品，见图1，图中可以看出，在硅片表面产生了大量无序排列的SiC纳米纤维。将合成出的SiC纳米纤维和0.05ml的全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，在150度下进行蒸镀反应3.0小时，得到具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品。
实施例2将装有3片干净硅片和3g ZnS粉末的陶瓷舟置于卧式石英管式炉中央，把固态碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为15l/h的氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行3小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量较小直径的有序SiC纳米纤维样品。将合成出的SiC纳米纤维和0.1ml的全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，在150度下进行蒸镀反应3.0小时，得到接触角为156度的具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品，见图2，图中可以看出，SiC纳米纤维样品显示出了的良好的疏水性能。
实施例3将装有3片干净硅片和3g ZnS粉末的陶瓷舟置于卧式石英管式炉中央，把固态碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为15l/h的氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行4小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量较小直径的有序SiC纳米纤维样品。将合成出的SiC纳米纤维和0.2ml的全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，在150度下进行蒸镀反应3.0小时，得到接触角高于150度的具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品。
权利要求
1.一种超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征在于，采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以惰性气体氩气为保护气体及载气，以ZnS粉末为选择性辅助剂，在硅片上生长成SiC纳米纤维，再在合成出的SiC纳米纤维表面蒸镀一层全氟硅烷，从而得到接触角高于150度的超疏水性能SiC纳米纤维样品。
2.根据权利要求1所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，包括步骤如下第一步，将硅片或底端添加ZnS粉末的硅片放入石英管式炉中央，碳固态碳材料被固定在石英管一侧；第二步，将炉体温度升高到1100℃，在温度达到250℃时，通入惰性气体氩气；第三步，在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量SiC纳米纤维；第四步，将得到的SiC纳米纤维和全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，进行蒸镀，得到具有超疏水性能的SiC纳米纤维样品。
3.根据权利要求2所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，碳固态碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。
4.根据权利要求2所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第二步中，所述的将炉体温度升高到1100℃，升温速率为15℃/min。
5.根据权利要求2所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为15l/h。
6.根据权利要求2所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第三步中，所述的反应持续进行，持续时间为2-4小时。
7.根据权利要求2所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第四步中，所述的全氟硅烷体积为0.05-0.2ml。
8.根据权利要求2所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第四步中，所述的蒸镀反应温度为150度。
9.根据权利要求2或8所述的超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，其特征是，第四步中，所述的蒸镀反应时间为3.0小时。
全文摘要
一种超疏水性SiC纳米纤维的合成方法，属于纳米材料技术领域。本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以惰性气体氩气为保护气体及载气，以ZnS粉末为选择性辅助剂，在硅片上生长成SiC纳米纤维，再在合成出的SiC纳米纤维表面蒸镀一层全氟硅烷，从而得到接触角高于150度的超疏水性能SiC纳米纤维样品。本发明简单易行，对环境无污染，无明显易燃危险原料；超疏水性能高，可以在许多自清洁场合得到应用。
文档编号B82B3/00GK101049931SQ200710040470
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者牛俊杰, 王健农 申请人:上海交通大学