一种低维氮化硅纳米材料的制备方法与流程

本发明涉及一种低维氮化硅纳米材料的制备方法，兼具了氮化硅陶瓷本体和低维纳米材料的特性，高强度，高硬度，高介电常数，光敏性优异，可广泛用于纳米场发射器件、纳米光电子器件和纳米复合材料等领域。

背景技术：

氮化硅是一种耐高温、抗氧化的工程陶瓷材料，具有高强度、高硬度、良好的抗热震性和抗机械冲击性。在晶体结构上，氮化硅有两种晶型，分别是α-si3n4和β-si3n4，α-si3n4是低温型，β-si3n4是高温型。随着纳米技术的发展，低维氮化硅纳米材料获得了越来越广泛的关注，由于其特殊的形貌和结构，具有比块体氮化硅陶瓷更加优异的特性，在复合材料、纳米场发射器件和纳米光电子器件等领域具有广阔的应用前景。

低维氮化硅纳米材料的制备方法很多，主要可分为两类：气相合成工艺和液相合成工艺。气相工艺包括化学气相沉积，电弧放电法，激光烧蚀法；液相工艺包括溶剂热法和水热法。气相工艺能耗较大，成本较高，污染环境。液相工艺虽然能耗较低，但工艺可控性欠缺，产物性能较差。中国专利200610037581.1给出了一种低温制备氮化硅纳米线和纳米带粉体材料的方法。以sicl4、nan3和金属钠为原料，在400～500℃下反应，产物经过洗涤、过滤和干燥，可得到氮化硅纳米线和纳米带粉体材料。虽然该工艺制备温度较低，但是反应有副产物的产生而且金属催化剂的存在会给提纯造成困难。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有低维氮化硅纳米材料制备工艺复杂，成本较高的问题，提出一种无需催化剂的气固反应法制备低维氮化硅纳米材料，通过气相一氧化硅和固相碳源在高温氮气气氛下反应，得到尺寸形貌可控的si3n4纳米颗粒、纳米纤维、纳米管和纳米片等低维纳米材料。

为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种低维氮化硅纳米材料的制备方法，包括下述步骤：

1)将sio粉末置于坩埚底部，分别将不同碳源置于坩埚中部，再将坩埚放在多功能烧结炉中，抽真空，使多功能烧结炉的真空度低于10^-3pa；

2)向多功能烧结炉内充入氮气；

3)多功能烧结炉升温至1650℃～1850℃，保温1～3小时进行气固反应，得到尺寸形貌可控的si3n4纳米颗粒、纳米纤维、纳米线和纳米片低维纳米材料。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，sio粉末的粒径为5～16μm。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，碳源为纳米炭黑、碳纤维、碳纳米管和石墨烯低维碳材料。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中用纳米炭黑作碳源时，先要将纳米炭黑粉模压成型形成生坯，成型压力为80～150mpa。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，氮气气氛压力为5～6atm。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，多功能烧结炉中从室温升至1100℃的升温速度为500～700℃/h，从1100℃升温至烧结温度的升温速度为200～300℃/h。

本发明的有益效果是：

本发明选用廉价的一氧化硅，纳米炭黑，碳纤维，碳纳米管，石墨烯为原料，在1650℃～1850℃高温氮气气氛下，一氧化硅粉末升华成sio气体，在碳材料界面发生气固反应，可遗传碳材料的形态，得到si3n4纳米颗粒、纳米纤维、纳米线、纳米片等低维纳米材料。相较于传统的前驱体转化法制备纳米氮化硅，本发明不需要催化剂，不需要复杂昂贵的设备，工艺简单，易于控制，成本低，产量高，容易实现规模化生产，且对环境无害。另一方面，通过调整反应温度、保温时间等工艺参数，能够实现对产物尺寸和形貌的控制。随着反应温度的升高和保温时间的延长，产物颗粒长大。

进一步，本发明通过改变一氧化硅粉末的粒径来控制气固反应的速度。一氧化硅粉末粒径越小，越易升华，能促进气固反应的进行。此外，较高的氮气压力可以保证sio和n2非常充分的混合并参与气固反应，有利于纳米氮化硅材料的生成。

附图说明

图1为本发明样品放置示意图。

图2为本发明实施例6所得的低维氮化硅纳米材料放大1500倍的sem图。

图3为本发明实施例6所得的低维氮化硅纳米材料放大100000倍的sem图。

图4为本发明实施例7得到的氮化硅纳米颗粒的xrd图。

具体实施方式

现结合实施例和附图，对本发明作进一步描述，但本发明的实施并不仅限于此。

实施例1：

第一步：将2g纳米炭黑在80mpa的成型压力下压成数条生坯，然后放入涂有氮化硼粉末的石墨坩埚中部，将10g粒径为5μm的sio粉末均匀置于石墨坩埚底部，再将坩埚放在多功能烧结炉中，抽真空，使多功能烧结炉的真空度低于10^-3pa；

第二步：向多功能烧结炉内充入高纯氮气，气氛压力为5atm；

第三步：多功能烧结炉先以600℃/h的升温速度升至1100℃，再以250℃/h的升温速度升温至1750℃保温2小时进行气固反应，得到氮化硅纳米颗粒。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是步骤三中，多功能烧结炉先以500℃/h的升温速度升至1100℃，再以200℃/h的升温速度升温至1650℃保温3小时进行气固反应。其它步骤与参数与实施例1相同，得到氮化硅纳米颗粒。

实施例3：

本实施例与实施例1不同的是步骤三中，多功能烧结炉先以700℃/h的升温速度升至1100℃，再以300℃/h的升温速度升温至1850℃保温1小时进行气固反应。其它步骤与参数与实施例1相同，得到氮化硅纳米颗粒。

实施例4：

本实施例与实施例1不同的是步骤一中，纳米炭黑的成型压力调整为120mpa。其它步骤与参数与实施例1相同，得到氮化硅纳米颗粒。

实施例5：

本实施例与实施例1不同的是步骤1中，纳米炭黑的成型压力调整为150mpa。其它步骤与参数与实施例1相同，得到氮化硅纳米颗粒。

实施例6：

第一步：将2g纳米纤维放入涂有氮化硼粉末的石墨坩埚中部，将10g粒径为5μm的sio粉末均匀置于石墨坩埚底部，再将坩埚放在多功能烧结炉中，抽真空，使多功能烧结炉的真空度低于10^-3pa；

第二步：向多功能烧结炉内充入高纯氮气，气氛压力为5atm；

第三步：多功能烧结炉先以600℃/h的升温速度升至1100℃，再以250℃/h的升温速度升温至1750℃保温2小时进行气固反应，得到氮化硅纳米纤维。

实施例7：

第一步：将2g碳纳米管放入涂有氮化硼粉末的石墨坩埚中部，将10g粒径为5μm的sio粉末均匀置于石墨坩埚底部，再将坩埚放在多功能烧结炉中，抽真空，使多功能烧结炉的真空度低于10^-3pa；

第二步：向多功能烧结炉内充入高纯氮气，气氛压力为5atm；

第三步：多功能烧结炉先以600℃/h的升温速度升至1100℃，再以250℃/h的升温速度升温至1750℃保温2小时进行气固反应，得到氮化硅纳米管。

实施例8：

第一步：将2g石墨烯放入涂有氮化硼粉末的石墨坩埚中部，将10g粒径为5μm的sio粉末均匀置于石墨坩埚底部，再将坩埚放在多功能烧结炉中，抽真空，使多功能烧结炉的真空度低于10^-3pa；

第二步：向多功能烧结炉内充入高纯氮气，气氛压力为5atm；

第三步：多功能烧结炉先以600℃/h的升温速度升至1100℃，再以250℃/h的升温速度升温至1750℃保温2小时进行气固反应，得到氮化硅纳米片。

实施例9：

本实施例与实施例1不同的是步骤一中，将粒径为5μm的一氧化硅粉末更换为粒径为16μm的一氧化硅粉末。其它步骤与参数与实施例1相同，得到氮化硅纳米颗粒。

实施例10：

本实施例与实施例7不同的是步骤二中，将氮气的气氛压力调整为6atm。其它步骤与参数与实施例1相同，得到氮化硅纳米管。

如图2所示，为本发明实施例6所得的低维氮化硅纳米材料放大1500倍的显微结构照片，得到氮化硅纳米纤维，纳米片和纳米线。如图3所示，为本发明实施例6所得的低维氮化硅纳米材料放大100000倍的显微结构照片，所得氮化硅纳米线表面光滑，尺寸在150nm左右。如图4所示，为本发明实施例7得到的氮化硅纳米颗粒的xrd图，可以看出，所得产物是α-si3n4和β-si3n4的混合物相。