一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法与流程

本发明属于碳化硅纳米晶须技术领域。尤其涉及一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。

背景技术：

碳化硅纳米晶须（SiC_w）是一种直径为纳米至微米级的高纯单晶材料。基于其完美的晶体结构，碳化硅晶须具有高熔点（>2700℃）、低密度、抗拉伸强度优异（拉伸强度为2100MPa）以及良好的比强度和比弹性模量的力学性能，被广泛用作各种高性能材料的补强增韧添加剂。同时，一维碳化硅纳米晶须具有优异的光学和电学性能，能在高温、高能和高频等严苛环境下工作，因此在制备先进纳米光电子器件方面具有诱人的应用前景。另一方面，炭纤维与碳化硅纳米晶须复合能够有效过滤柴油中微粒，是一种新型廉价、轻质的过滤设备，有较大的工业应用价值；在电化学领域，碳化硅纳米晶须与炭材料复合后，成为性能优异的锂电池负极材料和超级电容器的电极材料，表现出优异的电化学性能。

目前，SiC晶须的制备工艺主要包括化学气相沉积法(CVD)、碳热还原法、前驱体裂解法和碳纳米炭管限制反应法等。

化学气相沉积法(CVD)是应用较广泛的方法，该方法利用含碳和硅的气体或利用能够分解形成含碳和含硅的气体有机物作为原料，制备SiC晶须。

化学气相沉积工艺需要严格控制反应物及载气流量，对设备要求较高，工艺周期较长，因而碳化硅晶须制备成本较高，且在碳化硅晶须的制备过程中伴随大量有害有毒气体产生，对环境危害较大。

碳热还原法工艺需要较高的反应温度（>1500℃），该工艺过程中一般需要催化剂的参与，此制备成本较高，催化剂参与大大影响碳化硅晶须纯度和性能，限制碳化硅晶须的大量制备和应用。

前驱体裂解法一般采用聚碳硅烷为原料，经过高温裂解得到纯度较高、长径比教大的碳化硅晶须，但聚碳硅烷前驱体价格昂贵，不适宜作为大量制备碳化硅晶须的原料。

碳纳米管限制法工艺简单，反应条件温和，无有毒有害气体产生，且该工艺不需要催化剂参与，能够制备高质量高纯度的碳化硅纳米晶须。但该工艺中以纳米炭管为碳源，价格昂贵，制备成本较高。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的是提供一种工艺简单、反应条件温和和环境友好的炭材料表面碳化硅纳米晶须的制备方法；该方法制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须具有优异的光学性能和电化学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（0.25~4），将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅源。

步骤二、将沥青基炭纤维或沥青基炭纤维毡置于高温石墨化炉中，通入氩气进行高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1000~2800℃，高温炭化处理的时间为0.5~1h，得到碳源。

步骤三、按所述硅源∶所述碳源的摩尔比为1∶（0.25~4），将所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩埚中，然后将所述石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压。

步骤四、在氩气气氛条件下，以10~20℃/min的速率将所述高温炭化炉升温至1200~1500℃，保温0.5~3h，自然冷却至室温，制得炭材料表面碳化硅纳米晶须。

所述硅粉的粒度为20~80μm。

所述二氧化硅粉末的粒度为20~80μm。

由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明采用固相无机硅源和碳源，在无催化剂参与和在1200~1500℃时制得炭材料表面碳化硅晶须，工艺简单，对设备无特殊要求，且制备过程中无有毒有害气体释放。

(2)本发明在炭材料表面制得大长径比的碳化硅纳米晶须，碳化硅晶须直径为30~120nm，长度为30~150um。所制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须在室温下经激光激发表现出明显蓝移现象，发光波长为420~460nm，具有优异的光致发光性能；作为锂离子电池负极材料时容量为550~700mAh/g，表现出优异电化学性能。

因此，本发明具有工艺简单、反应条件温和和环境友好的特点，制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须的光学性能和电化学性能优异。

附图说明

图1为本发明的一种炭材料表面碳化硅纳米晶须的光学照片；

图2为图1所示炭材料表面碳化硅纳米晶须的XRD谱图；

图3为图1所示炭材料表面碳化硅纳米晶须的低倍SEM照片；

图4为图1所示炭材料表面碳化硅纳米晶须的高倍SEM照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式所述硅源的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述硅粉的粒度为20~80μm。

所述二氧化硅粉末的粒度为20~80μm。

实施例1

一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。本实施例的具体步骤是：

步骤一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（0.25~1），将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅源。

步骤二、将沥青基炭纤维置于高温石墨化炉中，通入氩气进行高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1000~1600℃，高温炭化处理的时间为0.5~1h，得到碳源。

步骤三、按所述硅源∶所述碳源的摩尔比为1∶（0.25~1），将所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩埚中，然后将所述石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压。

步骤四、在氩气气氛条件下，以10~20℃/min的速率将所述高温炭化炉升温至1200~1300℃，保温0.5~1h，自然冷却至室温，制得炭材料表面碳化硅纳米晶须。

本实施例制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须：直径为30~70nm；长度为30~70um。

实施例2

一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。本实施例的具体步骤是：

步骤一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（1~2），将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅源。

步骤二、将沥青基炭纤维毡置于高温石墨化炉中，通入氩气进行高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1600~2200℃，高温炭化处理的时间为0.5~1h，得到碳源。

步骤三、按所述硅源∶所述碳源的摩尔比为1∶（1~2），将所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩埚中，然后将所述石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压。

步骤四、在氩气气氛条件下，以10~20℃/min的速率将所述高温炭化炉升温至1300~1400℃，保温1~2h，自然冷却至室温，制得炭材料表面碳化硅纳米晶须。

本实施例制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须：直径为50~100nm；长度为80~150um。

实施例3

一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。本实施例的具体步骤是：

步骤一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（2~3），将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅源。

步骤二、将沥青基炭纤维置于高温石墨化炉中，通入氩气进行高温炭化处理，高温炭化处理的温度为2200~2800℃，高温炭化处理的时间为0.5~1h，得到碳源。

步骤三、按所述硅源∶所述碳源的摩尔比为1∶（3~4），将所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩埚中，然后将所述石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压。

步骤四、在氩气气氛条件下，以10~20℃/min的速率将所述高温炭化炉升温至1400~1500℃，保温2~3h，自然冷却至室温，制得炭材料表面碳化硅纳米晶须。

本实施例制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须：直径为80~120nm；长度为50~100um。

实施例4

一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。本实施例的具体步骤是：

步骤一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（3~4），将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅源。

步骤二、将沥青基炭纤维毡置于高温石墨化炉中，通入氩气进行高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1600~2200℃，高温炭化处理的时间为0.5~1h，得到碳源。

步骤三、按所述硅源∶所述碳源的摩尔比为1∶（2~3），将所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩埚中，然后将所述石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压。

步骤四、在氩气气氛条件下，以10~20℃/min的速率将所述高温炭化炉升温至1300~1400℃，保温1~2h，自然冷却至室温，制得炭材料表面碳化硅纳米晶须。

本实施例制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须：直径为60~110nm；长度为70~130um。

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固相无机硅源和碳源，在无催化剂参与和在1200~1500℃时制得炭材料表面碳化硅晶须，工艺简单，对设备无特殊要求，且制备过程中无有毒有害气体释放。

(2)本具体实施方式在炭材料表面制得大长径比的碳化硅纳米晶须。图1为实施例2制备的一种炭材料表面碳化硅纳米晶须的光学照片；图2为图1所示炭材料表面碳化硅纳米晶须的XRD谱图；图3为图1所示炭材料表面碳化硅纳米晶须的低倍SEM照片；图4为图1所示炭材料表面碳化硅纳米晶须的高倍SEM照片。由图1可以看出，炭纤维毡由黑色变为灰白色，表明炭纤维表面碳化硅晶须生长密集；由图2可以看出，碳化硅纳米晶须的相组成主要为β-SiC，在36°、60°、72°附近的衍射峰依次对应β-SiC的（111）、（220）、（311）晶面，其中在26°左右的衍射峰对应炭纤维基体，表明在炭材料表面生长出大量碳化硅纳米晶须；从图3可以看出，炭纤维完全被碳化硅晶须包裹，碳化硅晶须长度为100-150μm；从图4可以看出，碳化硅纳米晶须比较均匀、光滑、无明显结构缺陷，碳化硅晶须直径为80-120nm。因此，本具体实施方式制备的炭材料表面碳化硅晶须纯度高、结晶度好和长径比大，碳化硅晶须直径为30~120nm，长度为30~150um。

本具体实施方式制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须在室温条件下经激光激发表现出明显蓝移现象，发光波长为420~460nm，具有优异的光致发光性能；如图1所示制品作为锂离子电池负极材料时容量为550~700mAh/g，表现出优异电化学性能。

因此，本具体实施方式具有工艺简单、反应条件温和和环境友好的特点，制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须的光学性能和电化学性能优异。