专利名称：以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种SiC纳米线的制备方法，尤其是涉及一种以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法。
背景技术：
一维半导体纳米材料由于其重要的物理和化学性质，已经引起了人们广泛的关注。SiC纳米线作为第三代宽禁带半导体材料，具有高硬度、高热导率、高击穿电场、高电子迁移速率和强抗氧化性等特点，在纳米光电子器件、纳米场发射器件、纳米复合材料、超疏水器件、新型能源材料和催化方面有着广泛的应用前景。因此，研究探索高效制备SiC纳米线的方法，大规模高产量制备SiC纳米线，对于实现SiC纳米线的工业化生产有着重要的意义。SiC纳米线的制备方法有很多种，如碳纳米管模板法、电弧放电法、电阻加热蒸发法、氧化物辅助生长法、浮动催化剂法和化学气象沉积法等。但由于上述制备方法大多数需要较高的温度或者催化剂辅助，使得其制备成本大量提高，而且纳米线的产率很低。
发明内容
为了提高SiC纳米线的产率，本发明的目的在于提供一种以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，以工业可膨胀石墨为碳源，分别与硅粉、二氧化硅粉为硅源或正硅酸乙酯为硅源，通过碳热还原法和溶胶凝胶法大规模制备SiC纳米线。本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下
技术方案一
本发明采用可膨胀石墨为碳源，硅粉和二氧化硅粉为硅源，将碳源和硅源混合并研磨均匀后置于石墨坩埚中，并装好原料的石墨坩埚放入高温气氛箱式炉内，抽真空并充入保护气体；升温到1300 1800°C，保温烧结2 8h，整个制备过程中炉内压强低于IMPa ;随炉自然冷却至常温，开炉即得SiC纳米线。所述的硅源和碳源的原料质量分数百分比可膨胀石墨占总质量的比例为5. 29Γ57. 7%、硅粉占总质量的比例为质量分数百分比为13. 59Γ30. 2%，二氧化硅粉占总质量的比例为质量分数百分比为28. 89Γ64. 6%的混合物。所述的硅粉和二氧化硅粉为硅源制备的SiC纳米线为β-SiC纳米线，直径为l(Tl00nm，宏观表现为墨绿色粉末。技术方案二
本发明采用可膨胀石墨为碳源，正硅酸乙酯为硅源，将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入可膨胀石墨，磁力搅拌配制混合凝胶，凝胶在700C干燥4小时，再升至90°C干燥4小时，再升至110°C干燥4小时，研磨成粉状置于石墨坩埚中并放入高温气氛箱式炉内，抽真空并充入保护气体；升温到1300 1800°C，保温烧结2 8h，整个制备过程中炉内压强低于IMPa ;随炉自然冷却至常温，开炉即得SiC纳米线。、
所述的正硅酸乙酯可膨胀石墨的摩尔比为I :0. 2 5，正硅酸乙酯无水乙醇水的摩尔比为I :0. 86 :4，草酸稀释至O. 01mol/L。所述的正硅酸乙酯为硅源制备的SiC纳米线为β -SiC纳米线，直径为5(T500nm，宏观表现为浅绿色或灰白色棉花状物质。本发明具有的有益效果是
本发明以可膨胀石墨为碳源，当温度到达250°c以上时，可膨胀石墨经层间化合物分解、汽化，产生大量的气体，一部分气体沿层隙外泄，由于受阻产生高压而将石墨沿C轴方向推开，从而使石墨沿轴方向发生膨胀。此时将为SiC纳米线的生长提供充足的生长空间，通过碳热还原法和溶胶凝胶法，实现了一种高产率制备SiC纳米线的方法，使其具有低能源消耗低成本、工艺简单、无污染、无需催化剂等优点。
图I是本发明所述以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法实施例I的产物的 扫描电镜照片。图2是本发明所述以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法实施例2的产物的扫描电镜照片。
具体实施例方式实施例I :
本实施例以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线步骤如下
1、将质量分数百分比为21.4%可膨胀石墨、质量分数百分比为25%的工业硅粉和质量分数百分比为53. 6%的二氧化硅粉混合并研磨均匀置于高纯度石墨坩埚中并放入高温气氛箱式炉内；
2、抽真空并充入保护气体为氮气，制备过程炉内压强低于IMPa；
3、高温气氛箱式炉升至1500°C，保温烧结6h；
4、随炉自然冷却至室温，开炉即得墨绿色SiC纳米线，如图I所示纳米线的直径约IOOnm0实施例2:
本实施例以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线步骤如下
1、将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，正硅酸乙酯无水乙醇水的摩尔比为1:0.86:4，草酸稀释至0.01!1101/1。然后加入可膨胀石墨，正硅酸乙酯可膨胀石墨的摩尔比为1:1;
2、磁力搅拌配制混合凝胶，凝胶在70°C干燥4小时，再升至90°C干燥4小时，再升至110°C干燥4小时；研磨成粉状置于高纯石墨坩埚中并放入高温气氛箱式炉内；
3、抽真空并充入保护气体为氩气，制备过程炉内压强低于IMPa；
4、高温箱式气氛炉升至1500°C，保温烧结6h；
5、随炉自然冷却至室温，开炉即得浅绿色SiC纳米线，如图2所示纳米线的直径约IOOnm0实施例3:本实施例与实施例I不同在于步骤I中将质量分数百分比为5. 2%可膨胀石墨、质量分数百分比为30. 2%的工业硅粉和质量分数百分比为64. 6%的二氧化硅粉混合并研磨均匀；步骤3中温度升至1300°C。其他步骤与实施例I相同。开炉即得墨绿色SiC纳米线，直径约为10nm。实施例4:
本实施例与实施例I不同在于步骤I中将质量分数百分比为8. 3%可膨胀石墨、质量分数百分比为29. 2%的工业硅粉和质量分数百分比为62. 5%的二氧化硅粉混合并研磨均匀；步骤3中温度升至1600°C，保温烧结2h。其他步骤与实施例I相同。开炉即得墨绿色SiC纳米线，直径约为50nm。实施例5:
本实施例与实施例I不同在于步骤I中将质量分数百分比为57. 7%可膨胀石墨、质量分数百分比为13. 5%的工业硅粉和质量分数百分比为28. 8%的二氧化硅粉混合并研磨均匀；步骤3中温度升至1800°C，保温烧结8h。其他步骤与实施例I相同。开炉即得墨绿色SiC纳米线，直径约为80nm。实施例6:
本实施例与实施例2不同在于步骤I中正硅酸乙酯可膨胀石墨的摩尔比为I :0. 2 ;步骤4中温度升至1300°C。其他步骤与实施例2相同。开炉即得浅绿色SiC纳米线，直径约为 200nm。实施例7
本实施例与实施例2不同在于步骤I中正硅酸乙酯可膨胀石墨的摩尔比为I :2 ;步骤4中温度升至1600°C，保温烧结2h。其他步骤与实施例2相同。开炉即得灰白色SiC纳米线，直径约为300nm。实施例8:
本实施例与实施例2不同在于步骤I中正硅酸乙酯可膨胀石墨的摩尔比为I :5 ;步骤4中温度升至1800°C，保温烧结8h。其他步骤与实施例2相同。开炉即得灰白色SiC纳米线，直径约为500nm。
权利要求
1.一种以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，其特征在于采用可膨胀石墨为碳源，硅粉和二氧化硅粉为硅源，将碳源和硅源混合并研磨均匀置于石墨坩埚中并放入高温气氛箱式炉内，抽真空并充入保护气体；升温到1300 1800°C，保温烧结2 8h，整个制备过程中炉内压强低于IMPa ;随炉自然冷却至常温，开炉即得SiC纳米线。
2.根据权利要求I所述的以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述的硅源和碳源的原料质量分数百分比可膨胀石墨占总质量的比例为5. 29Γ57. 7%、硅粉占总质量的比例为质量分数百分比为13. 59Γ30. 2%，二氧化硅粉占总质量的比例为质量分数百分比为28. 89Γ64. 6%的混合物。
3.根据权利要求I所述的以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述的硅粉和二氧化硅粉为硅源制备的SiC纳米线为单晶β-SiC纳米线，直径为l(Tl00nm，宏观表现为墨绿色粉末。
4.一种以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，其特征在于采用可膨胀石墨为碳源，正硅酸乙酯为硅源，将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入可膨胀石墨，磁力搅拌配制混合凝胶，凝胶在70°C干燥4小时，再升至90°C干燥4小时，再升至110°C干燥4小时，研磨成粉状置于石墨坩埚中并放入高温气氛箱式炉内，抽真空并充入保护气体；升温到1300 1800°C，保温烧结2 8h，整个制备过程中炉内压强低于IMPa ;随炉自然冷却至常温，开炉即得SiC纳米线。
5.根据权利要求4所述的以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述的正硅酸乙酯可膨胀石墨的摩尔比为I :0. 2 5，正硅酸乙酯无水乙醇水的摩尔比为I :0. 86 :4，草酸稀释至O. 01mol/L。
6.根据权利要求4所述的以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法，其特征在于所述的正硅酸乙酯为硅源制备的SiC纳米线为单晶β -SiC纳米线，直径为5(T500nm，宏观表现为浅绿色或灰白色棉花状物质。
全文摘要
本发明公开了一种以可膨胀石墨为碳源SiC纳米线的制备方法。采用可膨胀石墨为碳源，硅粉和二氧化硅粉为硅源；或采用正硅酸乙酯为硅源，将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解再干爆燥后；将碳源和硅源混合并研磨均匀置于石墨坩埚中并放入高温气氛箱式炉内，抽真空并充入保护气体；升温到1300～1800℃，保温烧结2～8h，整个制备过程中炉内压强低于1MPa；随炉自然冷却至常温，开炉即得SiC纳米线。本发明原料廉价、工艺简单、无污染环境的有害气体、不需任何催化剂，拥有大规模高产率制备的特点，适合SiC纳米线的工业化生产。
文档编号C01B31/36GK102730687SQ20121023139
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者张炬栋, 王明明, 陈建军 申请人:浙江理工大学