專利名稱：一種氮化硅納米纖維氈的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化硅納米纖維氈的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化硅(Si3N4)納米纖維是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，是制備高溫納米裝置和高性能復(fù)合材料的理想材料，具有非常好的應(yīng)用前景。
目前，已經(jīng)發(fā)展了多種氮化硅納米纖維制備方法，包括ニ氧化硅碳熱還原法、硅粉直接氮化法、燃燒合成法、有機(jī)硅化合物氨解法、化學(xué)氣相沉積法、含硅聚合物的熱分解法
坐寸ο氮化硅納米纖維雖然具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，但是其容易團(tuán)聚、難以進(jìn)行編織，制約了其實(shí)際應(yīng)用。基于多向納米纖維排布而成的氮化硅纖維氈，可以為復(fù)合材料提供關(guān)鍵的增強(qiáng)材料。CN101838886A于2010年09月22日公開了ー種氮化硅納米無紡布及其制備方法，該方法使用溶膠凝膠法制備非晶態(tài)Si-B-O-C復(fù)合粉體前驅(qū)體，進(jìn)而在高溫氣氛燒結(jié)爐中氮化制備氮化娃納米無紡布，但其エ藝路線長，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無需催化劑，エ藝設(shè)備簡單，成本低，適宜復(fù)雜形狀和規(guī)模化生產(chǎn)的氮化硅納米纖維氈的制備方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種氮化硅納米纖維氈的制備方法，包括以下步驟
(1)選取所需形狀的石墨板、石墨片或石墨紙為基板，用去離子水清洗，晾干或烘干，備
用；
(2)將含Si-C鍵的聚合物和經(jīng)步驟(I)處理的石墨基板放入反應(yīng)爐內(nèi)；
所述含Si-C鍵的聚合物可以是聚硅烷、聚碳硅烷或聚硅碳烷，其中優(yōu)選聚碳硅烷；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至IOOPa以下(優(yōu)選20Pa以下)；
(4)向反應(yīng)爐中通氮?dú)饣虬睔?，至壓力O.1-0. 5MPa ；
(5)向反應(yīng)爐中通NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，控制流量在30L/h— 400L/h (優(yōu)選150/h - 250L/h)，升溫至 500 — 1400°C 時(shí)(優(yōu)選 1000 — 1300°C)，保溫 O. 4 — 3 小時(shí)(優(yōu)選O. 5 - I 小時(shí))；
升溫速度為 100 - 350 0C /h (優(yōu)選 180 - 300 0C /h)；
所述惰性氣氛可為N2、Ar或He (優(yōu)選N2)；
所述NH3與惰性氣氛的混合氣中，優(yōu)選NH3體積濃度> 50%的混合氣氛；
(6)停止通入NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，再改通氮?dú)饣蛎荛]爐體，隨爐冷卻；
(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到100°C以下時(shí)，取出石墨基板，即成。本發(fā)明以聚硅烷、聚碳硅烷或聚硅碳烷以及摻雜這類含Si-C鍵的聚合物為原料，以NH3或NH3與N2、Ar或He等的混合氣為氮化氣氛，NH3與含Si-C鍵的聚合物分解釋放的含硅小分子發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，生成硅氮烷，并生成小分子烷烴以消除游離碳，硅氮烷在石墨基板上沉積生長形成納米氮化硅纖維，納米氮化硅纖維自行鋪展在石墨基板上，即形成氮化硅納米纖維氈。所得纖維氈厚度一般為O. 2-5_，其中氮化硅納米纖維的直徑一般為50_200nmo本發(fā)明通過控制NH3的濃度、流量以及聚合物裂解溫度程序、裂解反應(yīng)時(shí)間等因素，可以獲得大面積、復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的納米氮化硅纖維。通過SEM、EDX、XRD分析表明，產(chǎn)物為氮化硅納米纖維氈。本發(fā)明采用成熟的エ業(yè)產(chǎn)品為原料，普通的氣氛保護(hù)燒結(jié)爐，不需要催化劑，不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，エ藝簡単，易于控制，成本低，產(chǎn)量高 ，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。


圖I為實(shí)施例I所得納米氮化硅纖維氈的典型的外觀 圖2為實(shí)施例I所得納米氮化硅纖維的典型的SEM 圖3為實(shí)施例I所得納米氮化硅纖維的典型的EDX圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說明。實(shí)施例I
本實(shí)施例包括以下步驟
(1)選取石墨紙為基板，用去離子水清洗，晾干，待用；
(2)將50克聚碳硅烷和經(jīng)步驟(I)處理的石墨紙放入反應(yīng)爐內(nèi)；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至50Pa；
(4)向反應(yīng)爐中通氮?dú)庵翂亥玂.2MPa ；
(5)向反應(yīng)爐中改通NH3，控制流量在300L/h，開始按5°C/min升溫，當(dāng)反應(yīng)爐溫度達(dá)到1300°C時(shí)，保溫2小時(shí)；
(6)停止通入NH3,密閉爐體，隨爐冷卻；
(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到50°C時(shí)，取出石墨紙，即成27克產(chǎn)品。本實(shí)施例所得納米氮化硅纖維氈，其外觀形貌如圖I所示；其微觀形貌如圖2所示；用EDX測其元素組成，結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，納米氮化硅纖維主要由Si、N組成。實(shí)施例2
本實(shí)施例包括以下步驟
(1)選取石墨紙為基板，用去離子水清洗，烘干，待用；
(2)將50克聚硅烷和經(jīng)步驟(I)處理的石墨紙放入反應(yīng)爐內(nèi)；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至20Pa；
(4)向反應(yīng)爐中通氨氣至壓カO.IMPa ；
(5)向反應(yīng)爐中改通90%體積氨氣和10%體積氮?dú)獾幕旌蠚?，控制流量?00L/h，開始按3°C /min升溫，當(dāng)反應(yīng)爐溫度升至1300°C時(shí)，保溫2小吋；
(6)停止通入90%體積氨氣和10%體積氮?dú)獾幕旌蠚猓荛]爐體，隨爐冷卻；(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到60°C時(shí)，取出石墨紙，即得23克納米纖維氈。實(shí)施例3
本實(shí)施例包括以下步驟
(1)選取石墨紙為基板，用去離子水清洗，晾干，待用；
(2)將50克聚碳硅烷和經(jīng)步驟(I)處理的石墨紙放入反應(yīng)爐內(nèi)；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至15Pa；
(4)向反應(yīng)爐中通氨氣至壓カO.15MPa ；
(5)向反應(yīng)爐中繼續(xù)通入NH3，控制流量在200L/h，開始按3°C/min升溫，當(dāng)反應(yīng)爐溫 度達(dá)到1200°C時(shí)，保溫3小吋；
(6)停止通入NH3,密閉爐體，隨爐冷卻；
(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到50°C時(shí)，取出石墨紙，即得24克產(chǎn)品。實(shí)施例4
本實(shí)施例包括以下步驟
(1)選取石墨板為基板，用去離子水清洗，晾干，待用；
(2)將50克聚碳硅烷和經(jīng)步驟(I)處理的石墨板放入反應(yīng)爐內(nèi)；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至IOPa；
(4)向反應(yīng)爐中通氨氣至壓カO.IMPa ；
(5)向反應(yīng)爐中繼續(xù)通NH3，控制流量在200L/h，開始按3°C/min升溫，當(dāng)反應(yīng)爐溫度達(dá)到1250°C時(shí)，保溫3小時(shí)；
(6)停止通入NH3,密閉爐體，隨爐冷卻；
(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到80°C時(shí)，取出石墨板，即得26克產(chǎn)品。實(shí)施例5
本實(shí)施例包括以下步驟
(1)選取石墨板為基板，用去離子水清洗，烘干，待用；
(2)將50克聚碳硅烷和經(jīng)步驟(I)處理的石墨板放入反應(yīng)爐內(nèi)；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至50Pa；
(4)向反應(yīng)爐中通氮?dú)庵翂亥玂.IMPa ；
(5)向反應(yīng)爐中改通60%體積氨氣和40%體積氬氣的混合氣，控制流量在300L/h，開始按3°C /min升溫，當(dāng)反應(yīng)爐溫度達(dá)到1250°C時(shí)，保溫3小吋；
(6)停止通入60%體積氨氣和40%體積氬氣的混合氣，密閉爐體，隨爐冷卻；
(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到100°C時(shí)，取出石墨板，即得21克產(chǎn)品。實(shí)施例6
本實(shí)施例包括以下步驟
(1)選取石墨片為基板，用去離子水清洗，晾干，待用；
(2)將50克聚碳硅烷和經(jīng)步驟(I)處理的石墨片放入反應(yīng)爐內(nèi)；
(3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓カ抽至20Pa；
(4)向反應(yīng)爐中通氮?dú)庵翂亥玂.IMPa ；
(5)向反應(yīng)爐中通70%體積氨氣和30%體積氬氣的混合氣，控制流量在350L/h，開始按5 0C /min升溫，當(dāng)反應(yīng)爐溫度達(dá)到1250°C時(shí)，保溫I小吋；(6)停止通入70%體積氨氣和30%體積氬氣的混合氣，密閉爐體，隨爐冷卻；
(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到80°C時(shí)，取出石墨片，即得22克產(chǎn)品。權(quán)利要求
1.一種氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)選取所需形狀的石墨板、石墨片或石墨紙為基板，用去離子水清洗，晾干或烘干，備用； (2)將含Si-C鍵的聚合物和經(jīng)步驟(I)處理的石墨基板放入反應(yīng)爐內(nèi)； (3)使用真空泵將反應(yīng)爐內(nèi)壓力抽至IOOPa以下； (4)向反應(yīng)爐中通氮?dú)饣虬睔?，至壓力O.1-0. 5MPa ； (5)向反應(yīng)爐中通NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，控制流量在30L/h— 400L/h,升溫至500 - 1400°C時(shí)，保溫O. 4 — 3小時(shí)；升溫速度為100 — 350°C /h ； (6)停止通入NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，再改通氮?dú)饣蛎荛]爐體，隨爐冷卻； (7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到100°C以下時(shí)，取出石墨基板，即成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述含Si-C鍵的聚合物是聚硅烷或聚硅碳烷。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述含Si-C鍵的聚合物是聚碳硅烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，使用真空泵將爐內(nèi)壓力抽至20Pa以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(5)中,所述惰性氣氛為氬氣或氦氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(5)中，所述惰性氣氛為N2。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(5)中，所述NH3與惰性氣氛的混合氣為NH3體積濃度> 50%的混合氣氛。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的氮化硅納米纖維氈的制備方法，其特征在于，步驟(5)中，向反應(yīng)爐中通NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，控制流量在150/h — 250L/h，升溫至、1000 - 1300°C，保溫 O. 5 — I 小時(shí)；升溫速度為 180 — 300°C /h。
全文摘要
一種氮化硅納米纖維氈的制備方法，其包括以下步驟(1)選取石墨基板，清洗干燥；(2)將含Si-C鍵的聚合物和石墨基板放入反應(yīng)爐；(3)將反應(yīng)爐內(nèi)壓力抽至100Pa以下；(4)向反應(yīng)爐中通氮?dú)饣虬睔猓?5)向反應(yīng)爐中通NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，升溫至500~1400℃時(shí)，保溫0.4~3小時(shí)；(6)停止通入NH3或NH3與惰性氣氛的混合氣，再改通氮?dú)饣蛎荛]爐體，隨爐冷卻；(7)當(dāng)反應(yīng)爐溫度降到100℃以下時(shí)，取出石墨基板，即成。本發(fā)明原料易得，工藝簡單易于控制，合成溫度低，成本低，產(chǎn)量高，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號C01B21/068GK102659086SQ201210135940
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者宋永才, 王軍, 王浩, 簡科, 謝征芳, 邵長偉 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)