氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法
【专利摘要】本发明公开了一种氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法。该方法过程包括：将ZrO2粉体在室温下于去离子水或者于乙醇中超声清洗，经过滤、蒸干溶剂并研磨后，得到洁净ZrO2粉体；将洁净ZrO2粉体铺展在石英方舟中，再将石英方舟置于管式炉中通入甲烷或乙炔碳源进行裂解反应，得到ZrO2粉体基体上生长碳纳米纤维。本发明的优点在于：采用工业中常用的ZrO2作为基体，通过控制基体的预处理方式以及生长工艺，在不添加任何金属催化剂的情况下直接在基体上生长出了质量好和纯度高的纳米碳纤维。制备过程和设备简单，易于实现和推广。
【专利说明】氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法，属于碳和氧化锆的复合材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]氧化锆(ZrO2)陶瓷具有十分优异的物理、化学性能，在工业生产中已经得到了广泛应用，但其也存在着如中高温力学性能下降和抗热震性能较低等显著缺陷，而复合化是比较有效的解决途径。通过选取高强度、高模量的晶须、片晶、纤维及颗粒，使得增强相补强与相变增韧产生协同增韧的效果。在尽量保持材料室温力学性能的同时提高中高温力学性倉泛。
[0003]纳米碳纤维(CNFs)具有高强度，高韧性，高弹性模量，热膨胀系数小，热稳定性高以及良好的导电性等优异的物理性能，是一种理想的一维纳米增强材料。将CNFs与ZrO2相复合，有望在提高ZrO2的高温力学性能的同时保持其室温力学性能，改善材料的抗热震性能，为ZrO2的广泛应用提供依据。
[0004]目前，在陶瓷粉体基体上制备纳米碳纤维一般采用化学气相沉积法。首先通过沉积沉淀法，将基体与金属催化剂的盐溶液充分混合，经过碱溶液的滴定，得到基体与金属催化剂的氢氧化物混合沉淀。将沉淀过滤、蒸干、煅烧后，得到催化剂前驱体。将催化剂前驱体在氢气气氛下高温还原后通入烃类气体，从而在催化剂颗粒上析出纳米碳纤维。最常使用的金属催化剂包括Fe、Co、Ni等过渡金属。使用该种方法虽然可以大量制备纳米碳纤维，但是作为陶瓷和碳的复合材料，金属催化剂颗粒的引入无疑增加了复合材料中的杂质相，对复合材料的性能产生不 利影响。采用化学气相沉积法在陶瓷基体上制备纳米碳纤维的报道很多，但是无催化剂，直接在陶瓷基体上生长纳米碳纤维还没有相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法，该方法具有过程简单、一步合成的优点。
[0006]本发明是通过下述技术方案加以实现，一种氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法，其特征在于包括以下过程:
1)将粒径为1~2μπι的ZrO2粉体在室温下于去离子水或者于乙醇中超声清洗10mirTl5min,然后经过滤,将滤出物在温度60°C "100°C蒸干溶剂,经研磨,得到洁净ZrO2粉体；
2)步骤I)所得的洁净ZrO2粉体铺展在石英方舟中，将石英方舟置于管式炉石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10°C /min升至温度900°C~1000°C后，以流速为6(Tl20ml/min向石英反应管通入甲烷或乙炔碳源进行裂解反应0.2tTlh，然后在氩气气氛下将炉温降至室温，得到ZrO2粉体基体上生长碳纳米纤维。
[0007]本发明具有以下优点:采用工业中常用的ZrO2作为基体，通过控制基体的预处理方式以及生长工艺，在不添加任何金属催化剂的情况下直接在基体上生长出了质量好和纯度高的纳米碳纤维。制备过程和设备简单，易于实现和推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明中实施例一制得的在ZrO2基体上直接生长纳米碳纤维的SEM照片。
[0009]图2为本发明中实施例二制得的在ZrO2基体上直接生长纳米碳纤维的SEM照片。
【具体实施方式】
[0010]下面结合具体实施例对本发明的具体内容具体说明如下:
实施例一:
称取2g粒径为I~2 μ m的ZrO2粉末加入50ml的去离子水中，以功率为400W的超声器超声lOmin，混合均匀，滤出ZrO2加入培养皿中，将培养皿放入真空干燥箱中80°C真空干燥，经研磨得到洁净的ZrO2粉体。将洁净的ZrO2粉体置于石英方舟中，将石英方舟置入管式炉石英管恒温区，首先以200ml/min的流速通入Ar惰性气体排除空气，再以100ml/min的流速通入Ar惰性气体、并以10°C /min的升温速度升温至温度900°C ;然后继续通入流速为60ml/min的C2H2进行裂解生长lh，生长结束后在Ar气氛保护下冷却至室温，得到在ZrO2基体上生长CNFs复合粉体材料。
[0011]实施例二:
称取2g粒径为1~2 μ m的ZrO2粉末加入50ml的乙醇中，以功率为400W的超声器超声lOmin，混合均匀。滤出ZrO2加入培养皿中，将培养皿放入真空干燥箱中60°C真空干燥，经研磨得到洁净的ZrO2粉体。将洁净的ZrO2粉体置于石英方舟中，将石英方舟置入管式炉石英管恒温区，首先以200ml/min的流速通入Ar惰性气体排除空气,再以100ml/min的流速通入Ar惰性气体、并以10°C /min的升温速度升温至温度1000°C ;然后继续通入流速为120ml/min的C2H2进行裂解生长0.5h，生长结束后在Ar气氛保护下冷却至室温，得到在ZrO2基体上生长CNFs复合粉体材料。
[0012]实施例三:
称取2g粒径为I~2 μ m的ZrO2粉末加入50ml的去离子水中，以功率为400W的超声器超声lOmin，混合均匀，滤出ZrO2加入培养皿中，将培养皿放入真空干燥箱中60°C真空干燥，经研磨得到洁净的ZrO2粉体。将洁净的ZrO2粉体置于石英方舟中，将石英方舟置入管式炉石英管恒温区，首先以200ml/min的流速通入Ar惰性气体排除空气，再以100ml/min的流速通入Ar惰性气体、并以10°C /min的升温速度升温至温度950°C;然后继续通入流速为60ml/min的CH4进行裂解生长0.5h，生长结束后在Ar气氛保护下冷却至室温，得到在ZrO2基体上生长CNFs复合粉体材料。
[0013]实施例四:
称取2g粒径为I~2 μ m的ZrO2粉末加入50ml的去离子水中，以功率为400W的超声器超声lOmin，混合均匀，滤出ZrO2加入培养皿中，将培养皿放入真空干燥箱中80°C真空干燥，经研磨得到洁净的ZrO2粉体。将洁净的ZrO2粉体置于石英方舟中，将石英方舟置入管式炉石英管恒温区，首先以200ml/min的流速通入Ar惰性气体排除空气，再以100ml/min的流速通入Ar惰性气体、并以10°C /min的升温速度升温至温度950°C;然后继续通入流速为120ml/min的CH4进行裂解生长0.5h，生长结束后在Ar气氛保护下冷却至室温，得到在ZrO2基体上生长CNFs复合粉体材料。
[0014]实施例五:
称取2g粒径为I~2 μ m的ZrO2粉末加入50ml的去离子水中，以功率为400W的超声器超声lOmin，混合均匀，滤出ZrO2加入培养皿中，将培养皿放入真空干燥箱中100°C真空干燥，经研磨得到洁净的ZrO2粉体。将洁净的ZrO2粉体置于石英方舟中，将石英方舟置入管式炉石英管恒温区，首先以200ml/min的流速通入Ar惰性气体排除空气,再以100ml/min的流速通入Ar惰性气体、并以10°C /min的升温速度升温至温度1000°C ;然后继续通入流速为120ml/min的CH4进行裂解生长0.2h，生长结束后在Ar气氛保护下冷却至室温，得到在ZrO2基体上生 长CNFs复合粉体材料。
【权利要求】
1.一种氧化锆基体上直接生长纳米碳纤维的方法，其特征在于包括以下过程: 1)将粒径为1~2μπι的ZrO2粉体在室温下于去离子水或者于乙醇中超声清洗10mirTl5min,然后经过滤,将滤出物在温度60°C "100°C蒸干溶剂,经研磨,得到洁净ZrO2粉体； 2)步骤I)所得的洁净ZrO2粉体铺展在石英方舟中，将石英方舟置于管式炉石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10°C /min升至温度900°C~1000°C后，以流速为6(Tl20ml/min向石英反应管通入甲烷或乙炔碳源进行裂解反应0.2tTlh，然后在氩气气氛下将炉温降至室温，得到Z`rO2粉体基体上生长碳纳米纤维。
【文档编号】B82Y40/00GK103864144SQ201410101986
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】赵乃勤, 宋佳, 师春生, 刘恩佐, 何春年 申请人:天津大学