本发明属于碳化硅或石墨烯复合粉体技术领域。尤其涉及一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。
背景技术：
碳化硅是具有密度低(3.21g/cm3)、熔点高(＞2700℃)、强度高(抗拉强度为2100kg/cm2)、模量高(弹性模量为4.9×104kg/cm2)、热膨胀率低及耐腐蚀等优良特性，已广泛应用于机械、电子、化工、能源、航空航天及环保等众多领域，其制备方法有直接反应法、化学降解法、气相沉积法、液相析晶法、碳热还原法、溶胶-凝胶法、熔盐法、水热法、微波辅助加热法等。
上述碳化硅的制备方法存在生产成本高、产率低和周期长等缺点，作为结构材料使用时，具有韧性差和脆性大的缺点，通常需要添加高性能的柔性相来增强增韧。
石墨烯(graphene)是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，具有结构稳定、导电性高、韧度高、强度高、比表面积超大等优异的物理化学性质，应用于储氢、纳米电子器件、复合材料、纳米光学材料等领域，在众多传统产业和战略性新兴产业中有巨大的应用前景，被誉为下一代关键基础材料。目前制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、溶液剥离法、外延生长法、石墨插层法、化学气相沉积法和氧化还原法，这些方法亦存在产率低、成本高和污染大的缺点，直接在sic材料中添加石墨烯增强增韧，制备工艺复杂、成本高和增强增韧效果不明显。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种工艺简单、生产周期短、成本低廉和污染小的碳化硅-石墨烯复合粉体的制备方法，用该方法制备的碳化硅-石墨烯复合粉体比表面积高，能直接用于过滤、油水分离和有害物质吸附；所述碳化硅-石墨烯复合粉体加入材料中能增强增韧陶瓷基材料、金属基材料和聚合物基材料，提高热态强度和抗氧化性。
为实现上述任务，本发明采用的技术方案是：先将40~80份质量的膨胀石墨与20~60份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将所述复合粉体在800~1400℃和流通氩气条件下热处理1~6小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
或将40~80份质量的膨胀石墨与20~60份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将0.5~10份质量的催化剂加入到100份质量的无水乙醇溶液中，得到催化剂的无水乙醇溶液；然后将5~100份质量的所述催化剂的无水乙醇溶液加入到100份质量的所述复合粉体中，室温条件下搅拌20~24h，在30~80℃条件下旋蒸，得到负载有催化剂前驱体的粉末；将所述负载有催化剂前驱体的粉末在800~1400℃和流通氩气条件下热处理1~6小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体；
或将40~80份质量的膨胀石墨与20~60份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将10~100份质量的isobam104加入到100份质量的去离子水中，在40~100℃条件下搅拌1~2h，得到保护剂溶液；将0.5~10份质量的所述催化剂加入到100份质量的所述保护剂溶液中，得到催化剂和保护剂的混合溶液；然后向100份质量的所述复合粉体中加入10~100份所述催化剂和保护剂的混合溶液，室温条件下搅拌20~24h，冷冻干燥，在800~1400℃和流通氩气条件下热处理1~6小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
所述膨胀石墨的c含量为95~99.9wt%，粒度＜44μm，膨胀率为50~300倍。
所述含硅原料为单质硅粉、二氧化硅粉和二氧化硅溶胶中的一种；所述单质硅粉和二氧化硅粉的粒度＜44μm。
所述催化剂为水合硝酸镍、水合硝酸钴和水合硝酸铁中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1）本发明采用膨胀石墨作为碳源，克服了以普通石墨作为碳源制备碳化硅材料温度高、能耗大、产量低和反应不完全的缺点，不仅能实现碳化硅的低温制备，且残碳为多层石墨烯，对材料起到很好的增强增韧作用。
2）本发明采用过渡金属的硝酸盐作为催化剂前驱体，以溶液的形式加入，能避免纳米催化剂粉体加入所产生的易团聚问题；配合保护剂的使用，能使催化剂颗粒更小、分散更均匀，进一步降低合成碳化硅的温度。
3）本发明通过改变硅的来源，可以控制碳化硅粉体的显微形貌，通过控制原料中si和c的摩尔比，控制碳化硅和石墨烯生成量的比例，满足不同行业的应用需求。
4）本发明采用常见的原料及普通的工艺即可低温一步制备碳化硅-石墨烯复合粉体，工艺简单、生产周期短、成本低和无污染。
5）本发明采用一步法制得的碳化硅-石墨烯复合粉体具有良好的显微形貌，可更好的用于材料的增强与增韧；较高的比表面积，可应用于过滤、油水分离和有害物质吸附；良好的光学、电学性能，可用于光电子器件的制备等。
因此，本发明具有工艺简单、生产周期短、成本低廉和污染小的特点；所制备的碳化硅-石墨烯复合粉体比表面积高，能直接用于过滤、油水分离和有害物质吸附，由于所制制品良好的光学性能和电学性能，可用于光电子器件的制备；所述碳化硅-石墨烯复合粉体加入材料中能增强增韧陶瓷基材料、金属基材料和聚合物基材料，提高热态强度和抗氧化性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：所述膨胀石墨的c含量为95~99.9wt%，粒度＜44μm，膨胀率为50~300倍。实施例中不再赘述。
实施例1
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先将40~60份质量的膨胀石墨与40~60份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将所述复合粉体在800~1200℃和流通氩气条件下热处理4~6小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为单质硅粉，所述单质硅粉的粒度＜44μm；所述催化剂为水合硝酸镍。
实施例2
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先将50~70份质量的膨胀石墨与30~50份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将所述复合粉体在900~1300℃和流通氩气条件下热处理2~5小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为二氧化硅溶胶；所述催化剂为水合硝酸钴。
实施例3
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
先将60~80份质量的膨胀石墨与20~40份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将所述复合粉体在1000~1400℃和流通氩气条件下热处理1~4小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为二氧化硅粉，所述二氧化硅粉的粒度＜44μm；所述催化剂为水合硝酸铁。
实施例4
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将40~60份质量的膨胀石墨与40~60份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将0.5~1份质量的催化剂加入到100份质量的无水乙醇溶液中，得到催化剂的无水乙醇溶液；然后将5~30份质量的所述催化剂的无水乙醇溶液加入到100份质量的所述复合粉体中，室温条件下搅拌20~24h，在30~80℃条件下旋蒸，得到负载有催化剂前驱体的粉末；将所述负载有催化剂前驱体的粉末在800~1200℃和流通氩气条件下热处理1~6小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为单质硅粉，所述单质硅粉的粒度＜44μm；所述催化剂为水合硝酸钴。
实施例5
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将50~70份质量的膨胀石墨与30~50份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将1~5份质量的催化剂加入到100份质量的无水乙醇溶液中，得到催化剂的无水乙醇溶液；然后将30~70份质量的所述催化剂的无水乙醇溶液加入到100份质量的所述复合粉体中，室温条件下搅拌20~24h，在30~80℃条件下旋蒸，得到负载有催化剂前驱体的粉末；将所述负载有催化剂前驱体的粉末在900~1300℃和流通氩气条件下热处理2~5小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为二氧化硅溶胶；所述催化剂为水合硝酸铁。
实施例6
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将60~80份质量的膨胀石墨与20~40份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将5~10份质量的催化剂加入到100份质量的无水乙醇溶液中，得到催化剂的无水乙醇溶液；然后将70~100份质量的所述催化剂的无水乙醇溶液加入到100份质量的所述复合粉体中，室温条件下搅拌20~24h，在30~80℃条件下旋蒸，得到负载有催化剂前驱体的粉末；将所述负载有催化剂前驱体的粉末在1000~1400℃和流通氩气条件下热处理1~4小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为二氧化硅粉，所述二氧化硅粉的粒度＜44μm；所述催化剂为水合硝酸镍。
实施例7
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将40~60份质量的膨胀石墨与40~60份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将10~40份质量的isobam104加入到100份质量的去离子水中，在40~100℃条件下搅拌1~2h，得到保护剂溶液；将0.5~3份质量的所述催化剂加入到100份质量的所述保护剂溶液中，得到催化剂和保护剂的混合溶液；然后向100份质量的所述复合粉体中加入10~40份所述催化剂和保护剂的混合溶液，室温条件下搅拌20~24h，冷冻干燥，在800~1200℃和流通氩气条件下热处理4~6小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为单质硅粉，所述单质硅粉的粒度＜44μm；所述催化剂为水合硝酸铁。
实施例8
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将50~70份质量的膨胀石墨与30~50份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将40~70份质量的isobam104加入到100份质量的去离子水中，在40~100℃条件下搅拌1~2h，得到保护剂溶液；将3~7份质量的所述催化剂加入到100份质量的所述保护剂溶液中，得到催化剂和保护剂的混合溶液；然后向100份质量的所述复合粉体中加入40~70份所述催化剂和保护剂的混合溶液，室温条件下搅拌20~24h，冷冻干燥，在900~1300℃和流通氩气条件下热处理2~5小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为二氧化硅溶胶；所述催化剂为水合硝酸镍。
实施例9
一种碳化硅-石墨烯复合粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
将60~80份质量的膨胀石墨与20~40份质量的含硅原料混合，球磨60~120min，得到复合粉体；再将70~100份质量的isobam104加入到100份质量的去离子水中，在40~100℃条件下搅拌1~2h，得到保护剂溶液；将7~10份质量的所述催化剂加入到100份质量的所述保护剂溶液中，得到催化剂和保护剂的混合溶液；然后向100份质量的所述复合粉体中加入70~100份所述催化剂和保护剂的混合溶液，室温条件下搅拌20~24h，冷冻干燥，在1000~1400℃和流通氩气条件下热处理1~4小时，制得碳化硅-石墨烯复合粉体。
本实施例中：所述含硅原料为二氧化硅粉，所述二氧化硅粉的粒度＜44μm；所述催化剂为水合硝酸钴。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
1）本具体实施方式采用膨胀石墨作为碳源，克服了以普通石墨作为碳源制备碳化硅材料温度高、能耗大、产量低和反应不完全的缺点，不仅能实现碳化硅的低温制备，且残碳为多层石墨烯，对材料起到很好的增强增韧作用。
2）本具体实施方式采用过渡金属的硝酸盐作为催化剂前驱体，以溶液的形式加入，能避免纳米催化剂粉体加入所产生的易团聚问题；配合保护剂的使用，能使催化剂颗粒更小、分散更均匀，进一步降低合成碳化硅的温度。
3）本具体实施方式通过改变硅的来源，可以控制碳化硅粉体的显微形貌，通过控制原料中si和c的摩尔比，控制碳化硅和石墨烯生成量的比例，满足不同行业的应用需求。
4）本具体实施方式采用常见的原料及普通的工艺即可低温一步制备碳化硅-石墨烯复合粉体，工艺简单、生产周期短、成本低和无污染。
5）本具体实施方式采用一步法制得的碳化硅-石墨烯复合粉体具有良好的显微形貌，可更好的用于材料的增强与增韧；较高的比表面积，可应用于过滤、油水分离和有害物质吸附；良好的光学、电学性能，可用于光电子器件的制备等。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、生产周期短、成本低廉和污染小的特点；所制备的碳化硅-石墨烯复合粉体比表面积高，能直接用于过滤、油水分离和有害物质吸附；由于所制制品良好的光学性能和电学性能，可用于光电子器件的制备；所述碳化硅-石墨烯复合粉体加入材料中能增强增韧陶瓷基材料、金属基材料和聚合物基材料，提高热态强度和抗氧化性。