一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法
【专利摘要】本发明提供了一种在微米级碳化硅粉体表面原位生长多壁碳纳米管的方法，首先对碳化硅粉体进行氧化、酸洗、碱洗表面处理，去除表面的氧化硅及其它杂质；然后采用化学共沉积的方法在碳化硅表面包裹一层均匀分布的纳米催化剂颗粒，再将上述粉体放入石英管式炉中，利用化学气相沉积的方法在碳化硅表面原位催化裂解制备碳纳米管。本发明能够实现碳纳米管在微米级碳化硅表面的均匀分布，解决了碳纳米管容易团聚的困难，为制备高性能多尺度复合材料提供了基础。本发明的方法简单，可行性高；所制得的碳纳米管在碳化硅表面分散均匀且量可控。
【专利说明】一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及复合材料及其制备【技术领域】，特别涉及复合材料中原位自生方法制备均匀分散的碳纳米管作为增强相的领域。
【背景技术】
[0002]自1991年碳纳米管被Iijima发现以来，由于其新颖的结构和特有的力学、电学和物理化学性质及其潜在的用途，引起了国内外化学、物理、材料、电子学界的极大关注。尤其是碳纳米管的力学性能及其优异:它的平均杨氏模量达到1.8TPa，约为钢的100倍，弯曲强度可达14.2GPa，所存应变能达IOOkeV,显示出超强的力学性能，而它密度低，单壁碳纳米管的密度约1.2~1.3g/cm3，多壁碳纳米管密度也仅为1.7g/cm3，仅为钢的1/6，几乎是目前比强度和比刚度最高的材料。因此若它作金属基复合材料增强相不仅可以提高强度，还可进一步降低材料密度。
[0003]但由于碳纳米管的纳米尺度效应，在作为增强相时容易团聚，在基体中分散不均，起不到增强相的作用；现阶段多采用的方法是高能球磨法是碳纳米管在基体中均匀的分散开，但是这种方法由于球磨的高能不可避免的照成了碳纳米管结构的损坏，对最后的性能造成影响，而且能够使得碳纳米管均匀分散的体积分数非常有限。而检索文献发现，碳纳米管的生产方法中化学气相沉积方法简单，可操作性大，但是需要对最后生成碳纳米管的载体进行分离，得到纯净的碳纳米管。
[0004]碳化硅也由于其具有优异的综合性能，现在已被广泛应用，作为金属基复合材料的增强相；而如果应用碳化硅作为化学气相沉积法制备碳纳米管的载体，不仅可以省去载体分离的步骤，而且可以使碳化硅与碳纳米管同时作为金属基体的增强相，强化效果可能会更好。
[0005]对现有的文献及发明检索发现，文献中还没有这方面的报道；而中国专利(CN102504760A) “一种碳化硅与碳纳米管复合吸波材料的制备方法”，主要通过浸溃法在碳化硅表面制备金属-碳化硅复合物，然后蒸干直接放入石英管中通入甲烷，升温保温得到碳化硅与碳纳米管复合吸波材料；中国专利(CN102962087A) “一种碳纳米管/泡沫碳化硅催化复合材料及其制备方法”主要是用泡沫碳化硅作为载体，Fe-Mg-Al作为复合催化剂，采用化学气相沉积法制备碳纳米管的方法。这两个专利都制备了碳纳米管，但是这两个专利中主要利用的是碳纳米管的吸波与催化性能，而且也有许多不足:(1)采用浸溃法制备的金属-碳化硅复合物，金属颗粒大小及分布都不均匀，不能很好地起到催化性能；(2)化学气相沉积沉积中没有采用载气很容易产生无定性碳，对材料的性能照成影响；(3)采用Fe-Mg-Al复合催化剂可能对复合材料的最后性能有不好的影响。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法。该方法工艺简单、可操作性强、制备的碳纳米管均匀可控。[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:首先在对碳化硅进行氧化、酸洗、碱洗表面处理，去除表面的氧化硅及其杂质；然后采用化学共沉积的方法在碳化硅表面制备一层均匀分布的纳米催化剂颗粒，再将含催化剂颗粒碳化硅放入石英管式炉中，利用化学气相沉积的方法在碳化硅表面原位催化制备碳纳米管。
[0008]本发明包括以下步骤:
[0009]I)碳化硅颗粒的表面处理:称取碳化硅颗粒，置于箱式电阻炉中，加热到800-1200°C，保温，随炉冷却到室温；然后，将碳化硅加入HF水溶液中，后用去离子水清洗，抽滤；再加入到饱和的NaOH水溶液对碳化硅表面进行粗化处理，然后去离子水抽滤，清洗。最后放入干燥箱中在100-200°C下保温。
[0010]2)碳化硅颗粒表面催化剂的制备:将醋酸盐溶于去离子水中配成水溶液，搅拌至澄清，然后向溶液中加入步骤I)处理过的碳化硅颗粒，超声处理；加入NH3.H2O溶液，直到所需的PH值，磁力搅拌，室温静置沉积，去离子水清洗，抽滤后，80-150°C干燥10-20个小时，然后空气中300-600°C煅烧，在催化剂表面制得纳米级的催化剂的氧化物颗粒。
[0011]3)碳化硅颗粒表面化学沉积碳纳米管:将步骤2)中处理好的碳化硅颗粒铺在石英舟中，置于石英管式炉中；氩气气氛保护下升到300-550°C，关闭氩气，通入氢气1-5个小时；然后升温到600-900°C，通入甲烷和氩气，保温反应10-120分钟，停止通甲烷，在氩气保护下冷却到室温，得到碳化硅与碳纳米管复合材料。
[0012]在本发明中，所述HF水溶液质量分数为40%。
[0013]在本发明中，NH3.H2O溶液浓度为0.5mol/L。
[0014]在本发明中，所需的PH值为6-9之间。
`[0015]在本发明中，所用的碳化硅颗粒大小为10-100 μ m。
[0016]在本发明中，所用金属的醋酸盐与碳化硅的摩尔比为1:10到1:90之间。所用金属可以为镍或铁或钴等。
[0017]在本发明中，所述的混合液室温静置时间为1-48个小时之间。
[0018]在本发明中，所诉的通入甲烷与氩气，两种气体的体积比在1:3到1:10之间。
[0019]在本发明中，碳化硅表面制备的催化剂的氧化物颗粒为l_200nm之间。
[0020]在本发明的方法中，首先对微米级碳化硅用质量分数为40%HF水溶液和饱和的氢氧化钠进行处理，不仅能去除了表面的杂质，而且使得碳化硅表面粗化和活化，增加了纳米粒子在碳化硅表面的吸附能力。采用醋酸盐作为制备纳米粒子的原料，并采用化学共沉积的方法使得醋酸镍与弱碱性溶液反应，在碳化硅表面形成纳米级氢氧化物的粒子，这与传统的浸溃法相比，降低了煅烧和还原温度，节省了能源。采用化学气相沉积的方法制备碳纳米管，这种方法简易可行，不需要其他方法中的高温高压等苛刻条件，可实现大规模的生产；选用金属基中常用的增强相微米级碳化硅粉体作为载体，制备出的碳化硅和碳纳米管复合材料可以直接用作复合材料的增强相，省去在碳纳米管应用时要与载体分离的过程；
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0022]1、本发明实现了原位生长碳纳米管，克服了碳纳米管的纳米尺度效应，获得了均匀负载在微米级碳化硅颗粒上的复合增强相。
[0023]2、本发明省去了制备碳纳米管时的去除载体的纯化过程，而且不论所用的载体及催化剂最后都可以在复合材料中起到强化作用。[0024]3、本发明采用的工艺过程简易可行，避免了制备碳纳米管过程中需要的高温高压，可实现大规模的生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1:催化裂解化学气相沉积制备碳纳米管的工艺流程图；
[0026]图2:碳化硅颗粒表面制备的催化剂颗粒及碳纳米管的扫描电镜图；
[0027]图3:碳化硅颗粒表面负载碳纳米管的物相分析图。
【具体实施方式】 [0028]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
[0029]以下实施例中所述的碳化硅均为粉末状a-SiC，在制备催化剂前均经过了氧化、酸洗、碱洗的过程。制备的催化剂及碳纳米管的检测主要用扫描电子显微镜(SEM)完成，最后产物的物相检测有X射线衍射仪完成。实施例按照图1所示流程进行实施。
[0030]碳化硅颗粒的表面处理流程:称取碳化硅颗粒，置于箱式电阻炉中，加热到800-1200°C，保温，随炉冷却到室温；然后，将碳化硅加入质量分数为40%HF水溶液中，后用去离子水清洗，抽滤；再加入到饱和的NaOH水溶液对碳化硅表面进行粗化处理，然后去离子水抽滤，清洗。最后放入干燥箱中在100-20(TC下保温。
[0031]实施例1
[0032]将四水醋酸镍至于150ml的烧杯中，加入80ml去离子水，搅拌至澄清，将表面处理过的碳化硅，按与四水醋酸镍的摩尔比20:1加入到烧杯中，放入超声仪中超声清洗0.5个小时，取出，放在磁力搅拌器上，边搅拌边加入0.5mol/L的NH3 -H2O水溶液，直到PH值为7，继续磁力搅拌I个小时后，在室温下静置48个小时，然后用去离子水冲洗，抽滤；取出漏斗中的粉末，放入干燥箱中100°C，干燥10个小时，再放入450°C的箱式电阻炉中，空气气氛下煅烧2个小时。在催化剂表面制得纳米级的催化剂的氧化物颗粒。
[0033]取500毫克的处理的粉末，放入石英舟中，置于石英管式炉中，在500ml/min的氩气保护气氛下，升温到500°C，关闭氩气，通入300ml/min的氢气还原2个小时，继续加热到7000C，通入体积比为1:1的氩气与甲烷气体，反应I个小时，关闭甲烷，在氩气保护气氛下冷却到室温，取出，称量最后粉末的重量，得到含有质量分数为2%的碳纳米管的碳化硅复合粉末。
[0034]实施例2
[0035]将四水醋酸镍至于150ml的烧杯中，加入50ml去离子水，搅拌至澄清，再将表面处理过的碳化硅，按与四水醋酸镍的摩尔比10:1加入到烧杯中，放入超声仪中超声清洗0.5个小时，取出，放在磁力搅拌器上，边搅拌边加入0.5mol/L的NH3.H20水溶液8，继续搅拌I个小时后，在室温下静置48个小时,然后用去离子水冲洗至PH为中性,抽滤；取出漏斗中的粉末，放入干燥箱中150°C，干燥10个小时，再放入500 V的箱式电阻炉中，空气气氛下煅烧2个小时。
[0036]取500毫克的处理的粉末，放入石英舟中，置于石英管式炉中，在500ml/min的氩气保护气氛下，升温到550°C，关闭氩气，通入300ml/min的氢气还原I个小时，继续加热到700°C，通入体积比为1:2的氩气与甲烷气体，反应1.5个小时，关闭甲烷，在氩气保护气氛下冷却到室温，取出，称量最后粉末的重量，得到含有质量分数为5%的碳纳米管的碳化硅复合粉末。
[0037]实施例3
[0038]将四水醋酸镍至于150ml的烧杯中，加入50ml去离子水，搅拌至澄清，再将表面处理过的碳化硅，按与四水醋酸镍的摩尔比20:1加入到烧杯中，放入超声仪中超声清洗0.5个小时，取出，放在磁力搅拌器上，边搅拌边加入0.5mol/L的氨水溶液，直到PH值为9，继续搅拌I个小时后，在室温下静置24个小时，然后用去离子水冲洗，抽滤；取出漏斗中的粉末，放入干燥箱中120°C，干燥10个小时，再放入500°C的箱式电阻炉中，空气气氛下煅烧2个小时。
[0039]取500毫克的处理的粉末，放入石英舟中，置于石英管式炉中，在500ml/min的氩气保护气氛下，升温到500°C，关闭氩气，通入300ml/min的氢气还原2个小时，继续加热到SOO0C，通入体积比为2:1的氩气与甲烷气体，反应I个小时，关闭甲烷，在氩气保护气氛下冷却到室温，取出，称量最后粉末的重量，得到含有质量分数为10%的碳纳米管的碳化硅复合粉末。
[0040]实施例4
[0041]将四水醋酸镍至于150ml的烧杯中，加入80ml去离子水，搅拌至澄清，将表面处理过的碳化硅，按与四水醋酸镍的摩尔比40:1加入到烧杯中，放入超声仪中超声清洗0.5个小时，取出，放在磁力搅拌器上，边搅拌边加入0.5mol/L的氨水溶液，直到PH值为8，继续搅拌I个小时后，在 室温下静置48个小时，然后用去离子水冲洗，抽滤；取出漏斗中的粉末，放入干燥箱中100°C，干燥10个小时，再放入500°C的箱式电阻炉中，空气气氛下煅烧2个小时。
[0042]取500毫克的处理的粉末，放入石英舟中，置于石英管式炉中，在500ml/min的氩气保护气氛下，升温到500°C，关闭氩气，通入300ml/min的氢气还原2个小时，继续加热到SOO0C，通入体积比为1:3的氩气与甲烷气体，反应2个小时，关闭甲烷，在氩气保护气氛下冷却到室温，取出，称量最后粉末的重量，得到含有质量分数为20%的碳纳米管的碳化硅复合粉末。
[0043]图2所示为实施例3的中碳化硅表面经H2还原后得到的催化剂Ni颗粒和化学气相沉积后得到的碳纳米管的扫描电镜照片，从图中可以看到，制备的催化剂颗粒分布均匀，尺寸细小，在几纳米与几十纳米之间，说明通过这种方法制备的催化剂在碳纳米管的制备阶段可以很好的起到催化作用。从图中碳纳米管的扫描电镜照片可以看出，制备的碳纳米管在碳化硅颗粒表面分布均匀，基本没有无定性碳的生成。图3为最后复合粉末的XRD图谱，从谱图中得知，最后粉末中有其催化作用的Ni单质和碳纳米管的存在。本发明中其他实施例效果也很好，因此，本发明能够在粉体碳化硅表面均匀制备一层量可控的碳纳米管。
[0044]以上为本发明的部分优选实施例，应当理解的是，本发明还有其他的实施方式，t匕如改变上述实施例中的材料配比以及参数取值等，这对本领域的技术人员来说是很容易实现的。
[0045]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)碳化硅颗粒的表面处理:将碳化硅颗粒置于箱式电阻炉中，加热到800-1200°C，保温，随炉冷却到室温；然后，将碳化硅加入HF水溶液中，后用去离子水清洗，抽滤；再加入到饱和的NaOH水溶液对碳化硅表面进行粗化处理，然后去离子水清洗，抽滤；最后放入干燥箱中在100-200°C下保温； 2)碳化硅颗粒表面催化剂的制备:将金属醋酸盐溶于去离子水中配成水溶液，搅拌至澄清，然后向溶液中加入步骤I)处理后的碳化硅颗粒，超声处理；加入NH3.H2O溶液，直到所需的PH值，磁力搅拌，室温静置沉积，清洗，抽滤后，80-150 V干燥10-20个小时，然后空气中300-600°C煅烧，在催化剂表面制得纳米级的催化剂的氧化物颗粒； 3)碳化硅颗粒表面化学沉积碳纳米管:将步骤2)中处理好的碳化硅颗粒铺在石英舟中，置于石英管式炉中；氩气气氛保护下升 到300-550°C，关闭氩气，通入氢气1-5个小时；然后升温到600-900°C，通入甲烷和氩气，保温反应10-120分钟，停止通甲烷气氛，在氩气保护下冷却到室温，得到碳化硅与碳纳米管复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，步骤I)中，置于箱式电阻炉中，保温时间为2个小时；放入干燥箱中保温时间为10个小时；HF水溶液质量分数为40%。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，步骤2)中，所用金属醋酸盐与碳化硅的摩尔比为1:10到1:90之间。
4.根据权利要求3所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，步骤2)中，金属醋酸盐溶于去离子水中，溶液浓度在0.lmol/L~lmol/L之间；NH3.H2O溶液浓度为0.5mol/L。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，所述金属醋酸盐，其金属为镍或铁或钴。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，步骤2)中，超声处理时间为30分钟；磁力搅拌时间为I个小时；所需的PH值为6-9之间。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的室温静置沉积时间为1-48个小时之间。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的通入甲烷与氩气的体积比在1:3到1:10之间。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，所用的碳化娃颗粒大小为10-100 μ m。
10.根据权利要求1-5任一项所述的一种碳化硅颗粒表面原位自生碳纳米管的方法，其特征在于，所述碳化硅表面制备的催化剂的氧化物颗粒为l_200nm之间。
【文档编号】B82Y30/00GK103754878SQ201410005587
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】欧阳求保, 李士胜, 黄宇, 欧阳杰武, 张荻 申请人:上海交通大学