一种SiC/SiO2纳米串珠的制备方法与流程

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法。

背景技术：

随着复合材料技术的发展，其性能不仅受到复合材料的组成、结构、结合方式的影响，而且受到增强材料结构的影响。复合材料被应用于酸性、碱性或高温环境时，不仅需要基体具有良好的物理化学性质稳定性，而且需要增强材料同样具有良好的物理化学稳定性。SiC/SiO₂纳米串珠是一种具有良好物理化学稳定性、高温稳定性、强度与硬度高等特点的增强材料。SiC/SiO₂纳米串珠中由于结构呈现串珠状，因此其在复合材料中会与基体具有特殊的耦合方式，在复合材料中与基体的结合既可以是化学键结合（Si-O、O-H），还可以在基体中形成“结”，进而使物理结合增强，所以其可以作为良好的增强材料。此外，还可以作为热流体传热系数的增强剂。

目前，制备SiC/SiO₂纳米串珠的方法鲜有报道，更多集中在SiC纳米线、SiC纳米棒、SiC纳米晶须的制备。而SiC纳米线的制备方法主要有：化学气相沉积、碳纳米管模板生长法、碳热还原法、高频感应加热法等。

Li等将摩尔比为1.2：1的Si与SiO₂粉末均匀混合并加入活化后的碳纤维，在1450℃下处理30min，冷却至室温后得到SiC/SiO₂纳米串珠，由于所制得的SiC/SiO₂纳米串珠具有高的吸光率，所以其光响应范围可以扩展到可见光领域，同时与纯的SiC纳米线相比具有更强的光催化活性[Materials Letters(2014)125-128]。但该方法制备纳米串珠存在能耗高、制备周期长等缺点。

Sun等以Si粉、SiO₂为硅源，葡萄糖、乙炔黑、活性碳、石墨等为碳源，Fe₂O₃为添加剂。葡萄糖在900℃、N₂气氛下热处理1h后得到碳前驱体。将摩尔比为4：1的Si与SiO₂粉均匀混合，并加入碳前驱体，并使碳与硅的摩尔比为4：1，在1500℃下热处理2h，冷却至室温后得到直径为50nm的并具有大长径比的β-SiC/SiO₂纳米串珠[Advanced Powder Technology(2016)1552-1559]。但该方法制备纳米串珠存在产物不纯、能耗高、制备周期长等缺点。

Wei等利用氨水作为催化剂使正硅酸乙酯在水-乙醇混合溶液中水解得到SiO₂。将摩尔比为1：1：2将Si、SiO₂与炭均匀混合并置于微波炉中央，氩气保护气氛下进行两次间歇性加热处理，冷却至室温后将产物在600℃空气中热处理8h，以去除残留的碳，最终得到SiC/SiO₂纳米串珠[Crystal Growth&Design(2009)1431-1435]。该方法制备纳米串珠存在工艺复杂、制备周期长等缺点。

鉴于以上缺陷，实有必要提供一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法以解决以上技术问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，该方法具有工艺简单、制备周期短、不需要气氛保护等优点且通过该方法能够得到产量高、串珠结构明显的SiC/SiO₂纳米串珠，从而实现SiC/SiO₂纳米串珠作为增强材料时的增强功能因为纳米串珠的结构而增强。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）将碳源配制成溶液后与硅源均匀混合，得到混合溶液，调节pH值使混合溶液由溶胶转变为凝胶；

2）将步骤1）中得到的凝胶进行干燥，最后在等离子火焰下进行焙烧，待冷却后，在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

本发明进一步的改进在于，所述碳源为葡萄糖、淀粉或蔗糖。

本发明进一步的改进在于，所述硅源为硅溶胶。

本发明进一步的改进在于，所述采用醋酸调节pH值使混合溶液由溶胶转变为凝胶。

本发明进一步的改进在于，所述碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为（1.0～5.0）：1。

本发明进一步的改进在于，所述pH值为5.0～7.0。

本发明进一步的改进在于，所述干燥的温度为100℃～180℃，干燥时间为2h～10h。

本发明进一步的改进在于，所述等离子火焰的温度为2100℃～2500℃，烧蚀时间为20～60s。

本发明进一步的改进在于，所述等离子火焰由便携式多功能等离子焊接切割机以水为原料产生的等离子火焰，便携式多功能等离子焊接切割机工作电压为120～200V，电流为5A～7A，凝胶距离喷嘴的距离为8～12mm。

本发明进一步的改进在于，该方法制备的SiC/SiO₂纳米串珠的长度为10～50μm。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明采用SiC/SiO₂纳米串珠不仅能充分发挥SiC/SiO₂优异的物理化学稳定性、高温稳定性、强度与硬度高等特点，且SiC/SiO₂纳米串珠中由于结构呈现串珠状，因此其在复合材料中会与基体具有特殊的耦合方式，在基体中形成“结”，减少出现SiC/SiO₂纳米串珠从基体内拔出的现象，提高纳米串珠的增韧效果。此外，本方法中不需要在保护气氛条件下长时间加热制备，只需要在大气环境下经等离子火焰焙烧20～60s，因此工艺简单，并且制备周期短。

进一步的，将凝胶在低温下进行干燥的目的是为了实现凝胶的多孔化。

附图说明

图1是本发明制备的SiC/SiO₂纳米串珠的X-ray射线衍射分析（XRD）照片；

图2是本发明制备的SiC/SiO₂纳米串珠的扫描电镜（SEM）照片；

图3为图2中部分的放大图。

图4是本发明制备的SiC/SiO₂纳米串珠的透射电镜（TEM）照片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用葡萄糖作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为1.0：1。

2）将步骤1）中的葡萄糖配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对酸碱度进行调节，使其pH=5.0，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在100℃低温下进行干燥2h，最后在电压为120V、电流为5.0A、凝胶距喷嘴距离为8mm、温度为2100℃的等离子火焰下进行焙烧60s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

本实施例所制得的SiC/SiO₂纳米串珠长度约为10μm。

实施例2

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用葡萄糖作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为2.0：1。

2）将步骤1）中的葡萄糖配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对混合溶液酸碱度进行调节，使其pH=5.5，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在120℃低温下进行干燥4h，最后在电压为140V、电流为5.5A、凝胶距喷嘴距离为9mm、温度为2200℃的等离子火焰下进行焙烧50s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

本实施例所制得的SiC/SiO₂纳米串珠长度约为20μm。

实施例3

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用葡萄糖作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为3.0：1。

2）将步骤1）中的葡萄糖配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对混合溶液酸碱度进行调节，使其pH=6.0，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在140℃低温下进行干燥6h，最后在电压为160V、电流为6.0A、凝胶距喷嘴距离为10mm、温度为2300℃的等离子火焰下进行焙烧40s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

本实施例所制得的SiC/SiO₂纳米串珠长度约为30μm。

实施例4

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用淀粉作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为4.0：1。

2）将步骤1）中的淀粉配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对混合溶液酸碱度进行调节，使其pH=6.5，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在160℃低温下进行干燥8h，最后在电压为180V、电流为6.5A、凝胶距喷嘴距离为11mm、温度为2400℃的等离子火焰下进行焙烧30s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

本实施例所制得的SiC/SiO₂纳米串珠长度约为40μm。

实施例5

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用蔗糖作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为5.0：1。

2）将步骤1）中的蔗糖配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对混合溶液酸碱度进行调节，使其pH=7.0，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在200℃低温下进行干燥10h，最后在电压为200V、电流为7.0A、凝胶距喷嘴距离为12mm、温度为2500℃的等离子火焰下进行焙烧20s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

本实施例所制得的SiC/SiO₂纳米串珠长度约为50μm。

实施例6

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用葡萄糖作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为1.5：1。

2）将步骤1）中的葡萄糖配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对酸碱度进行调节，使其pH=5.0，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在100℃低温下进行干燥10h，最后在电压为120V、电流为5.0A、凝胶距喷嘴距离为8mm、温度为2300℃的等离子火焰下进行焙烧60s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

实施例7

一种SiC/SiO₂纳米串珠的制备方法，包括以下步骤：

1）选用葡萄糖作为碳源，硅溶胶作为硅源。碳源中的C与硅源中的Si的摩尔比为4：1。

2）将步骤1）中的葡萄糖配制成溶液并与硅溶胶均匀混合，然后采用醋酸对酸碱度进行调节，使其pH=7.0，陈化后得到凝胶。

3）将步骤2）中干燥后得到的凝胶在180℃低温下进行干燥2h，最后在电压为120V、电流为5.0A、凝胶距喷嘴距离为8mm、温度为2500℃的等离子火焰下进行焙烧20s。待冷却后即可在凝胶表面制得SiC/SiO₂纳米串珠。

请参阅图1所示，其是本发明实施例3制备的SiC/SiO₂纳米串珠的X-ray射线衍射分析（XRD）照片。由图1可以看出：本发明制备的纳米串珠为SiC/SiO₂。

请参阅图2和图3所示，其是本发明实施例3制备的SiC/SiO₂纳米串珠的扫描电镜（SEM）照片。由图2和图3可以看出：本发明制备的SiC/SiO₂纳米串珠结构明显。

请参阅图4所示，其是本发明实施例3制备的SiC/SiO₂纳米串珠的透射电镜（TEM）照片；由图4可以看出：本发明制备的SiC/SiO₂纳米串珠链中珠与连接杆的界面结合紧密。

本发明制备SiC/SiO₂纳米串珠的方法至少具有以下优点：本发明采用SiC/SiO₂纳米串珠不仅能充分发挥SiC/SiO₂优异的物理化学稳定性、高温稳定性、强度与硬度高等特点，且SiC/SiO₂纳米串珠中由于结构呈现串珠状，因此其在复合材料中会与基体具有特殊的耦合方式，在基体中形成“结”，减少出现SiC/SiO₂纳米串珠从基体内拔出的现象，提高纳米串珠的增韧效果。此外，该方法制备SiC/SiO₂纳米串珠具有工艺简单、制备周期短等优点。