一种制备碳化硅纳米线的方法

专利名称：一种制备碳化硅纳米线的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备碳化硅纳米线的方法，属于用真空冶金的方法生产碳化硅材
料技术领域。
二背景技术：
碳化硅具有宽的带隙、高的临界击穿电压、高的热导率、高的载流子饱和漂移速 度等一系列优异特点，在高频、大功率、耐高温、抗辐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广阔的应用前景。作为重要的功能材料，碳化硅纳米线 还具有非常高的强度和韧性，可广泛用作陶瓷、金属和聚合物的加强材料。因此如何
大规模制备碳化硅纳米线就显得十分重要。
基于SiC纳米线诸多优异性能和广泛应用，国内外众多学者对SiC纳米线的合成
方法和理论做了大量科学研究。目前制备的主要方法有碳纳米管模板法、电弧放电 法、激光烧蚀法、化学气相沉积法和加热蒸发法。其中电弧放电法、化学气相沉积法 和加热蒸发法需借助于催化剂，不可避免的造成了产品纯度不高，制约了其实际应用。
经文献检索发现，Dai等人在《Nature》，1995, (375) :769~772上发表了碳化硅纳米 线的合成与表征，(英国) 一文，该文介绍的方法的优点是可以通过选择初始碳纳米 管的直径和调节反应温度来控制SiC纳米线的形状和生长方向，缺点是碳纳米管的价 格较高，成本较高。郝雅娟等在《无机化学学报》，2006,(10): 1833-1837上发表了 "碳 热还原制备不同形貌的碳化硅纳米线"一文以酚醛树脂为碳源，正硅酸乙脂为硅源， 硝酸镧和表面活性剂为调控剂，用溶胶-凝胶法通过合理控制反应条件，制备出了不 同组成的SiC前驱体干凝胶，然后在氩气(50ml/min)保护下，在130(TC进行碳热还 原5小时，制备出了直径50 70nm，长度几十微米的直线状碳化硅纳米线，该法具 有成本低廉、工艺简单的优点，缺点是容易形成团聚、分散性和结晶程度差。与上述 方法相比本发明制备SiC纳米线既可以使用较纯的Si02为原料，也可以利用廉价的 含硅工业固体废弃物为原料，具有成本低，较易实现等特点，是最具有前途的，越来 越受到人们的关注，在不久的将来有望发展成为一种低成本、低能耗、实现废弃物资
源化与控制污染的目的和大规模、可控制地制备碳化硅纳米线的新工艺。
三
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备碳化硅纳米线的方法，以含Si02的废料为硅源，
在真空条件及700-200(TC时用碳质还原剂还原，制备制备得直径为30-120nm,长度 在微米级SiC纳米线。
本发明按以下步骤完成
1、 预处理把碳质还原剂和硅质原料破碎，球磨成20目以下的粉末，再将二氧 化硅粉和碳粉按摩尔比l:0.5 6进行配比混合。所述硅质原料包括硅矿、石英、废光 纤、废石英和生物质灰废料中的一种；所述碳质还原剂包括碳、竹炭、煤、废活性炭、 焦煤和褐煤中的一种；
2、 真空碳热还原先抽真空至l(T2~l(T4Pa再以100°C/min的速率将温度升到 70(TC 200(TC进行碳热还原反应10min 2h，反应后自然冷却至室温，获得初级反应 产物；
3、 热处理将初级反应产物在700 卯(TC下灼烧l 3h，除去未反应的碳；
4、 酸洗用氢氟酸或硝酸去除产物中的多余二氧化硅，再经洗涤、过滤、干燥，
最终得到碳化硅产品。
与现有方法相比本发明具有以下特点
1、 原料来源方便。本技术中用到的生产原料，碳质还原剂可以是各种纯度的碳，
也可以是竹炭、无烟煤、烟煤、焦煤、褐煤中的一种或几种混合；硅质原料可以是各 种纯度的硅矿、石英、废光纤、废石英、生物质灰等含Si02的废料中的一种或几种。
2、 工艺简单，产品纯度高。以碳热还原为核心技术的本发明可以设计成如图(l) 所示的工艺流程就可以制备出碳化硅纳米线。
3、 成本低，环境污染小。本反应所用的硅质原料，主要来自硅矿、废光纤、废 石英、生物质灰等含Si02的废料，原材料便宜，对环境友好；且本工艺和传统制备
碳化硅纳米线工艺相比，工艺流程简单，减少了工艺过程，成本低，能耗低，降低了 环境污染。
四

图1是本发明的工艺流程图。
五具体实施例方式
实施例l:采用固定碳含量92%的褐煤和纯度99%以上的二氧化硅矿作为原料，破碎 后用球磨机磨成20目以下的粉末，然后将原料粉末分级过筛，得到粒度50目以下的 粉末；将Si02粉和碳粉按摩尔比l:l进行混合，混合粉末放到真空感应炉的石墨柑埚 中，封闭系统后，抽真空1(^ 10"Pa，以100'C/min的速率升温到120(TC，反应20分 钟后，停止反应，而后自然冷却至室温，获得初级反应产物，在80(TC下灼烧lh，用 氢氟酸去除产物中的多余二氧化硅，再经洗涤、过滤、干燥制得直径为90-110nm， 长度在微米级SiC纳米线。
实施例2;采用纯度为99%的竹炭和纯度为99%以上的二氧化硅矿作为原料，破碎后 用球磨机磨成20目以上的粉末，破碎后用球磨机磨成20目以下的粉末，然后将原料 粉末分级过筛，得到粒度IOO目的粉末。将Si02粉和碳粉按摩尔比2:l进行混合，混 合粉末放到真空感应炉的刚玉坩埚中，封闭系统后，抽真空l(T2 10-4Pa,以10(TC/min 的速率升温到140CTC,反应30分钟后，停止反应，而后自然冷却至室温，获得初级 反应产物，在70(TC下灼烧3h，用氢氟酸去除产物中的多余二氧化硅，再经洗涤、过 滤、干燥制备的SiC纳米线直径为30-80nm，长度在微米级。
实施例3:采用纯度98%以上的活性炭和纯度99.9%以上的废石英为原料，破碎后用 球磨机磨成20目以下的粉末，然后将原料粉末分级过筛，得到粒度150目的粉末。 将Si02粉和活性炭粉按摩尔比3:1进行混合,混合粉末放到真空感应炉的石墨坩埚中， 封闭系统后，抽真空排除系统中的空气，以10(TC/min的速率升温到160(TC,反应 40分钟后，停止反应，而后自然冷却至室温获得初级反应产物，在900。C下灼烧lh， 用氢氟酸去除产物中的多余二氧化硅，再经洗涤、过滤、干燥制得SiC纳米线直径为 40-120nm，长度在微米级。
权利要求
1、一种制备碳化硅纳米线的方法，其特征在于其按以下步骤完成，1)、预处理把碳质还原剂和硅质原料破碎，球磨成20目以下的粉末，再将硅质原料和碳质还原剂按摩尔比1:0.5～6进行配比混合；2)、真空碳热还原先抽真空至10-2～10-4Pa再以100℃/min的速率将温度升到700℃～2000℃进行碳热还原反应10min～2h，反应后自然冷却至室温，获得初级反应产物；3)、热处理将初级反应产物在700～900℃下灼烧1～3h，除去未反应的碳；4)、酸洗用氢氟酸或硝酸去除产物中的多余二氧化硅，再经洗涤、过滤、干燥，最终得到碳化硅产品。
2、 根据权利要求1所述的制备碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述硅质原 料包括硅矿、石英、废光纤、废石英和生物质灰废料中的一种；所述碳质还原剂包括 碳、竹炭、煤、废活性炭、焦煤和褐煤中的一种。
3、 根据权利要求1所述的制备碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述碳质还原剂固定碳含量90%以上，所述硅质原料纯度99%以上。
全文摘要
本发明涉及一种制备碳化硅纳米线的方法，以硅矿、石英、废光纤、废石英和生物质灰废料等含SiO₂的废料为原料，以碳、竹炭、煤、废活性炭、焦煤和褐煤等为还原剂，两者按摩尔比1∶0.5～6进行配比混合，经真空碳热还原，控制真空度10^-2～10^-4Pa，温度700℃～2000℃，还原反应时间10min～2h，反应后自然冷却至室温，再经700～900℃下灼烧及洗涤、过滤、干燥，制备得直径为30-120nm，长度在微米级SiC纳米线。
文档编号C01B31/36GK101386409SQ200810233449
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者伍继君, 刘大春, 徐宝强, 戴永年, 朱文杰, 斌 杨, 汪镜福, 华 王, 博 秦, 罗晓刚, 马文会, 魏奎先 申请人:昆明理工大学