专利名称：一种纳米碳化硅晶须的制备方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料制备领域，具体涉及ー种碳化硅晶须的制备方法。
背景技术：
碳化硅晶须具有低密度、高熔点、高強度、高模量、热膨胀系数小及耐腐蚀、耐磨等优良性能，可作为金属基、陶瓷基、树脂基等复合材料的增韧填充物，被广泛应用于机械、电子、航空航天及能源等领域。在现有的制备方法中，发明专利《一种纳米碳化硅晶须的制备方法》(申请号99110846. 9，公开号1281910，
公开日200 1-01-31)将净碳质溶胶和净硅溶胶按碳和硅摩尔比3 8 :1于室温下搅拌混合24小时，制得ニ元净炭质-硅溶胶，在100 150で干燥4飞小时得元干凝胶，或进行超临界干燥2(Γ180分钟，得到ニ元凝胶，然后进行碳热还原反应，最后脱碳，脱去SiO2，制得纯纳米碳化硅晶须。此方法存在如下缺陷1、原料纯度和成本高；2、生产中使用的高温炉结构复杂，造价高；3、生产エ艺复杂、合成难度大等缺点，导致不能大规模生产碳化硅晶须。因此，迫切需要寻找ー种低成本、无污染、エ艺简单、快速制备纳米碳化硅晶须的方法。
发明内容
本发明的目的是提供ー种纳米碳化硅晶须的制备方法，解决了现有制备方法生产エ艺复杂以及合成难度大的问题。本发明所采取的技术方案是ー种纳米碳化硅晶须的制备方法，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须。具体包括以下步骤步骤1，将铁粉、硅粉和炭黑混合形成混合原料；步骤2，将聚四氟こ烯与步骤I的混合原料充分混合形成反应剂；步骤3,将步骤2形成的反应剂置于球磨罐中，并在球磨机上研磨24 36小时,得到混合浆体；步骤4，将步骤3得到的混合浆体装于玻璃皿中并放入烘箱中，以9(T150°C的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料；步骤5，将步骤(4)得到的混合物料在研钵中研磨成粉体，将该粉体放入坩埚中，并将坩埚放入自蔓延燃烧合成反应釜的冷区，将反应釜抽真空后充入氮气至适当压力，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区加热升温至一定温度，将位于冷区的坩埚推至热区引发自蔓延燃烧合成反应，将反应釜热区保温一定时间后，停止通入氮气，冷却至室温后得到反应产物，将该反应产物除碳，除硅，得到纳米碳化硅晶须。其中，步骤I中铁粉、硅粉和炭黑的摩尔比为O. OfO. 1:0. 99^). 9:1。其中，步骤I中所述铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;所述硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;所述炭黑的纯度高于99%，平均粒径小于10 μ m。其中，步骤2中聚四氟こ烯与步骤I的混合原料的质量比为O. 15^0. 3:1。其中，步骤2中所述四氟こ烯的纯度高于99.9%，平均粒径小于ΙΟμπι。其中，步骤3中所述球磨罐为聚四氟こ烯球磨罐，所述球磨机为行星球磨机，以ニ氧化锆为球磨球，无水こ醇为研磨溶剤。其中，步骤5中 所述研钵为玛瑙研钵，所述坩埚为石墨坩埚。其中，步骤5中氮气压力控制在O. Γ ΜρΒ,自蔓延燃烧合成反应釜的热区温度升至110(Tl25(TC，反应釜热区的保温时间为15飞Omin。本发明的有益效果是本发明以硅粉和炭黑为原料，以聚四氟こ烯和铁粉为催化齐U，通过整体预热的燃烧合成反应制备碳化硅晶须，主要通过控制硅粉、炭黑、聚四氟こ烯和鉄粉的比例和各エ艺參数，可以制备高纯度的纳米碳化硅晶须，简化了生产エ艺，降低了成本。
图I是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的XRD图；图2是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的SEM图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行具体说明。ー种纳米碳化硅晶须的制备方法，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化娃晶须。按照以下步骤具体实施步骤1，按照铁粉硅粉炭黑为0.01 0. 1:0. 99、. 9:1的摩尔比混合形成混合原料，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;炭黑的纯度高于99%,平均粒径小于10 μ m ;步骤2，按照聚四氟こ烯与步骤I的混合原料的质量比为O. 15^0. 3:1充分混合形成反应剂，其中四氟こ烯的纯度高于99. 9%，平均粒径小于10 μ m ;步骤3，将步骤(2)配置的反应剂置于聚四氟こ烯的球磨罐中，以ニ氧化锆为球磨球，无水こ醇为研磨溶剂，在行星球磨机上研磨2Γ36小时，得到混合浆体；步骤4，将步骤3得到的混合浆体装于玻璃皿中并放入烘箱中，以9(T150°C的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料；步骤5，将步骤(4)得到的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将该粉体放入石墨坩埚中，并将石墨坩埚放入自蔓延燃烧合成反应釜的冷区，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压カ控制在O. flMPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区加热升温至110(Tl250°C，然后将自蔓延燃烧合成反应釜冷区中的石墨坩埚迅速推入热区，反应15飞Omin后，停止通入氮气，冷却至室温后得到反应产物，将该反应产物除碳，除硅，得到纳米碳化硅晶须。实施例I将铁粉、硅粉和炭黑以O. 01:0. 99:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟こ烯与混合原料的质量比为O. 15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10 μ m,四氟こ烯原料的纯度高于99. 9%,平均粒径小于10 μ m。将反应剂置于聚四氟こ烯的球磨罐中，以ニ氧化锆为球磨球，无水こ醇为研磨溶齐 ，在行星球磨机上球磨24小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在90°C将物料烘干，得到干燥的混合物料。将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压カ控制在O. IMPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1200°C，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应15min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化硅晶须。
实施例2 将铁粉、硅粉和炭黑以O. 05:0. 95:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟こ烯与混合原料的质量比为O. 15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10 μ m,四氟こ烯原料的纯度高于99. 9%,平均粒径小于10 μ m。将反应剂置于聚四氟こ烯的球磨罐中，以ニ氧化锆为球磨球，无水こ醇为研磨溶齐 ，在行星球磨机上球磨36小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在90°C将物料烘干，得到干燥的混合物料。将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压カ控制在O. IMPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1100°C，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应60min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化硅晶须。实施例3将铁粉、硅粉和炭黑以O. 1:0. 9:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟こ烯与混合原料的质量比为O. 15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10 μ m,四氟こ烯原料的纯度高于99. 9%,平均粒径小于10 μ m。将反应剂置于聚四氟こ烯的球磨罐中，以ニ氧化锆为球磨球，无水こ醇为研磨溶齐IJ，在行星球磨机上球磨36小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在150°C将物料烘干，得到干燥的混合物料。将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压カ控制在IMPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1200°C，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应60min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便得到纳米碳化娃晶须。实施例4将铁粉、硅粉和炭黑以O. 01:0. 99:1的摩尔比混合形成混合原料，按照聚四氟こ烯与混合原料的质量比为O. 15:1充分混合形成反应剂，其中铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;炭黑原料的纯度高于99%，平均粒径小于10 μ m,四氟こ烯原料的纯度高于99. 9%,平均粒径小于10 μ m。将反应剂置于聚四氟こ烯的球磨罐中，以ニ氧化锆为球磨球，无水こ醇为研磨溶齐 ，在行星球磨机上球磨24小时，得到混合浆体；将混合浆体装于玻璃器皿中放置于烘箱中，在90°C将物料烘干，得到干燥的混合物料。将干燥的混合物料在玛瑙研钵中研磨成粉体，将其置于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于自蔓延燃烧合成反应釜的冷区位置，将反应釜抽真空后充入氮气，氮气压カ控制在O. IMPa，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区位置整体升温至1100°C，将石墨坩埚快速由冷区推至热区，反应30min后，停止通入氮气，冷却至室温，将产物取出，经过除碳和除硅后，便 得到纳米碳化硅晶须。图I是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的XRD图，从图中可以看出，本制备方法制备出的碳化硅晶须物相中均为β -SiC相，未发现其他物相，纯度较高，可达99%以上。图2是本发明的制备方法制备出的纳米碳化硅晶须的SEM图，从图中可以看出，晶须形状呈弯曲状，直径约在3 30nm范围，长度在I 30 μ m范围内，长径比大，晶须表面光滑；本发明的制备方法制备纳米碳化硅晶须的转化率可达95%以上。本发明以硅粉和炭黑为原料，以聚四氟こ烯和铁粉为催化剂，通过整体预热的燃烧合成反应制备碳化硅晶须，主要通过控制硅粉、炭黒、聚四氟こ烯和铁粉的比例和各エ艺參数，可以制备高纯度的纳米碳化硅晶须，简化了生产エ艺，降低了成本。
权利要求
1.一种纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须。
2.根据权利要求I所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤 步骤1，将铁粉、硅粉和炭黑混合形成混合原料； 步骤2，将聚四氟乙烯与步骤I的混合原料充分混合形成反应剂； 步骤3，将步骤2形成的反应剂置于球磨罐中，并在球磨机上研磨2Γ36小时，得到混合浆体； 步骤4，将步骤3得到的混合浆体装于玻璃皿中并放入烘箱中，以9(T150°C的烘干温度将混合浆体烘干，得到干燥的混合物料； 步骤5，将步骤(4)得到的混合物料在研钵中研磨成粉体，将该粉体放入坩埚中，并将坩埚放入自蔓延燃烧合成反应釜的冷区，将反应釜抽真空后充入氮气至适当压力，将自蔓延燃烧合成反应釜的热区加热升温至一定温度，将位于冷区的坩埚推至热区引发自蔓延燃烧合成反应，将反应釜热区保温一定时间后，停止通入氮气，冷却至室温后得到反应产物，将该反应产物除碳，除硅，得到纳米碳化硅晶须。
3.根据权利要求2所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤I中所述铁粉、硅粉和炭黑的摩尔比为O. Ol O. 1:0. 99 O. 9: I。
4.根据权利要求2或3所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤I中所述铁粉的纯度高于99%，平均粒径小于30 μ m ;所述硅粉的纯度高于99%，平均粒径小于40 μ m ;所述炭黑的纯度高于99%,平均粒径小于10 μ m。
5.根据权利要求2所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤2中所述聚四氟乙烯与步骤I的混合原料的质量比为O. 15^0. 3:1。
6.根据权利要求2或5所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤2中所述四氟乙烯的纯度高于99. 9%，平均粒径小于10 μ m。
7.根据权利要求2所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤3中所述球磨罐为聚四氟乙烯球磨罐，所述球磨机为行星球磨机，以二氧化锆为球磨球，无水乙醇为研磨溶剂。
8.根据权利要求2所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤5中所述研钵为玛瑙研钵，所述坩埚为石墨坩埚。
9.根据权利要求2所述的纳米碳化硅晶须的制备方法，其特征在于，步骤5中氮气压力控制在O. riMpa,自蔓延燃烧合成反应釜的热区温度升至110(Tl250°C，反应釜热区的保温时间为15 60min。
全文摘要
本发明公开了一种纳米碳化硅晶须的制备方法，主要以硅粉、炭黑、铁粉和聚四氟乙烯为原料，按一定比例混合形成反应剂，将反应剂研磨，得到混合浆体，烘干后研磨成粉体，然后经过整体预热的燃烧合成反应得到反应产物，最后将反应产物经过除碳、除硅，得到纳米碳化硅晶须。本发明的制备方法制备纳米碳化硅晶须的转化率高，并且工艺简单，生产成本低；本发明的制备方法制备出的碳化硅晶须具有低密度、高熔点、高强度、高模量、热膨胀系数小及耐腐蚀、耐磨等特点，可广泛应用于机械、电子、航空航天及能源等领域。
文档编号B82Y40/00GK102849738SQ20121035337
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者苏晓磊, 贾艳, 王俊勃, 贺辛亥, 徐洁, 付翀, 刘松涛 申请人:西安工程大学