專利名稱：一種Fe催化制備β-碳化硅納米纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳化硅納米材料領(lǐng)域，特別涉及一種!^e催化制備β-碳化硅納米纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
以硅為代表的第一代元素半導(dǎo)體(Si、Ge等)和以砷化鎵(GaAs)為代表的第一代化合物半導(dǎo)體大大推動了微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，但是由于材料本身性能的限制，其器件應(yīng)用也趨于極限?，F(xiàn)代科技越來越多的領(lǐng)域需要高頻率、大功率、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好以及可以在強(qiáng)輻射環(huán)境中工作的材料，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料受到挑戰(zhàn)，發(fā)展寬帶隙半導(dǎo)體材料成為個迫切的任務(wù)。與硅和砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，碳化硅擁有很多優(yōu)良的特性，比如帶隙寬，熱導(dǎo)率高，臨界擊穿電場高，電子飽和遷移速率高，抗氧化抗腐蝕耐高溫能力強(qiáng)等。因此以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體受到了人們極大的關(guān)注，在制備高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射器件等方面具有巨大的潛力。碳化硅有多種晶型，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為兩類一種是具有立方結(jié)構(gòu)的 3C_SiC，通常稱為β-SiC ；其余六角和菱形結(jié)構(gòu)的SiC稱為α-SiC。相對于a-SiC來說， β -SiC的鍵能最小，晶格自由能最大，所以β -SiC最易成核，且所需要的生長溫度最低，另外，β -SiC的電子遷移率是SiC中最高的，其高熱導(dǎo)率和高臨界擊穿電場預(yù)示著可以得到高的器件密度，所以β-SiC是高溫、大功率和高速器件的首選材料[李婷，碳化硅納米材料的制備與表征.山爾大學(xué)，2009]。所以，探索在工藝簡單、生成溫度較低、耗能少的條件下大量制備β-SiC納米材料，對于提升β-SiC的性能及拓寬其應(yīng)用都具有重要的意義。目前，SiC的制備方法主要是使用不同碳源、硅源的碳熱還原法。比如^lou D等人用SiO氣體與碳納米管在流動的氫氣保護(hù)下反應(yīng)制成實(shí)心SiC納米晶須[Chem. Phys. Lett.，1994， 222 =233-238] ；Dai H等報導(dǎo)了利用碳納米管與SiO或SiI2在1200°C反應(yīng)合成直行為2 30nm，長度達(dá) 20μπι 的 SiC 納米晶須[Nature, 1995, 375 :769-772] ；Baek Y 等人報導(dǎo)了利用NiO/Si的復(fù)合型基材與石墨粉的碳熱還原反應(yīng)制成β -SiC納米線[Mater. Sci. Eng. C， 2006,26 :805-808] ；Dhage S等人利用SiO2粉末與活性炭的混合物在1450°C下制備了納米 β-SiC纖維[Mater. Lett. ,2009,63 :174-176]上述制備工藝中都是使用的原料為單獨(dú)的碳源和硅源，這種情況下碳源和硅源很難混合均勻，在實(shí)際制備過程中，常會造成原料利用率偏低，產(chǎn)率不高等問題。因此，開發(fā)一種利用碳硅成分混合均勻、工藝簡單的前驅(qū)體來制備納米碳化硅的方法，對于提高其生產(chǎn)效率和拓寬其應(yīng)用都具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種！^催化制備β -碳化硅納米纖維的制備方法為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是種狗催化制備碳化硅內(nèi)米纖維的制備方法，按下述步驟制得
步驟一按照碳元素與鐵元素摩爾比10 1 100 1將間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末與硝酸鐵研磨混合，將混合物置于氧化鋁坩堝內(nèi)，平推入真空管式爐中，抽去爐內(nèi)空氣并充入氬氣，保持氬氣的流量為200 300ml/min，按照5°C /min的速率從室溫逐步升溫至1300°C 1400°C，保溫處理1 5小時，得到未提純的樣品；步驟二 將步驟一所得樣品在600°C空氣氣氛中灼燒5小時以除去碳，然后用40% 的氫氟酸和65%的濃硝酸按體積比3 1配制的混合液處理72小時，除去二氧化硅，最后用去離子水反復(fù)清洗之濾液PH為中性，烘干，制得提純的β -碳化硅納米纖維。本發(fā)明的優(yōu)勢在于采用溶膠-凝膠技術(shù)，首先得到碳硅元素分布均勻、具有三維、 均一的互穿交聯(lián)結(jié)構(gòu)的間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠，這種原料能使碳硅元素在納米水平上進(jìn)行混合，反應(yīng)活性高，工藝易于操作。反應(yīng)過程中幾乎沒有污染環(huán)境的有害氣體產(chǎn)生，有利于環(huán)保。該方法工藝簡單、生成溫度較低、對環(huán)境無污染、耗能低，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。與其他工藝相比，本發(fā)明的產(chǎn)物具有純度高、結(jié)晶性好、粗細(xì)均勻等特點(diǎn)。


附圖1為β -碳化硅納米纖維的掃描電鏡(SEM)圖。附圖2為β -碳化硅納米纖維的X射線衍射(XRD)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明實(shí)施例1(1)按照質(zhì)量比為1 0. 084稱取1. OOOg間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末和0.084g硝酸鐵(其中Cz^e摩爾比為100 1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，保持氬氣的流量為300ml/min， 然后以5°C /min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1300°C下進(jìn)行熱處理1小時。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。(2)先在空氣氣氛下600°C灼燒以除去碳，然后用40%的氫氟酸和65%的濃硝酸按體積比3 1配制的混合液處理72小時，除去二氧化硅，最后經(jīng)過去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β -碳化硅，產(chǎn)率為64. 9%。如附圖1掃描電鏡(SEM)圖所示產(chǎn)物由大量的長度可達(dá)數(shù)十微米的尤規(guī)線團(tuán)物質(zhì)構(gòu)成，呈現(xiàn)粗細(xì)均勻的彎曲纖維狀，粗細(xì)均勻，直徑在IOOnm左右；如附圖2Χ射線衍射分析表明產(chǎn)物為結(jié)晶性良好的單相β-sic。實(shí)施例2本是實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是將間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠與硝酸鐵的質(zhì)量比調(diào)整為1 0.167(其中(:/ 摩爾比為50 1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，保持氬氣的流量為200ml/ min，然后以5°C /min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1400°C下進(jìn)行熱處理1小時。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。(2)先在空氣氣氛下600°C灼燒以除去碳，然后用40%的氫氟酸和65%的濃硝酸按體積比3 1配制的混合液處理72小時，除去二氧化硅，最后經(jīng)過去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β-碳化硅。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)有大量的納米纖維狀β -碳化硅生成，直徑IOOnm左右，收率為 28. 664. 9%。實(shí)施例3本是實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是將間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠與硝酸鐵的質(zhì)量比調(diào)整為1 0.278(其中(:/ 摩爾比為30 1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，保持氬氣的流量為250ml/ min，然后以5°C /min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1350°C下進(jìn)行熱處理3小時。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。(2)先在空氣氣氛下600°C灼燒以除去碳，然后用40%的氫氟酸和65%的濃硝酸按體積比3 1配制的混合液處理72小時，除去二氧化硅，最后經(jīng)過去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β-碳化硅。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)有纖維狀納米β -碳化硅生成，直徑120nm左右，收率為50. 0%。實(shí)施例4本是實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是將間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠與硝酸鐵的質(zhì)量比調(diào)整為1 0.835(其中Cz^e摩爾比為10 1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，保持氬氣的流量為300ml/ min，然后以5°C /min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1400°C下進(jìn)行熱處理4小時。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。(2)先在空氣氣氛下600°C灼燒以除去碳，然后用40%的氫氟酸和65%的濃硝酸按體積比3 1配制的混合液處理72小時，除去二氧化硅，最后經(jīng)過去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β-碳化硅。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)有納米β-碳化硅纖維生成，直徑120nm左右，收率為31.4%。以上已對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實(shí)施例， 熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換， 這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種狗催化制備β-碳化硅納米纖維的制備方法，其特征在于按下述步驟制得 步驟一按照碳元素與鐵元素摩爾比10 1 100 1將間苯二酚-甲醛/ 二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末與硝酸鐵研磨混合，將混合物置于氧化鋁坩堝內(nèi)，平推入真空管式爐中，抽去爐內(nèi)空氣并充入氬氣，保持氬氣的流量為200 300ml/min，按照5°C /min的速率從室溫逐步升溫至1300°C 1400°C，保溫處理1 5小時，得到未提純的樣品；步驟二 將步驟一所得樣品在600°C空氣氣氛中灼燒5小時以除去碳，然后用40%的氫氟酸和65%的濃硝酸按體積比3 1配制的混合液處理72小時，除去二氧化硅，最后用去離子水反復(fù)清洗之濾液PH為中性，烘干，制得提純的β -碳化硅納米纖維。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Fe催化制備β-碳化硅納米纖維的制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。本發(fā)明采用間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠與硝酸鐵的混合物作為前驅(qū)體，在氬氣氛圍，1300℃～1400℃溫度下處理1～5小時，進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，最后經(jīng)過純化處理得到純β-碳化硅納米纖維材料。該發(fā)明具有工藝簡單、生成溫度較低、對環(huán)境無污染、耗能低的優(yōu)點(diǎn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號B82Y40/00GK102295286SQ20111016184
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者宋懷河, 李新通, 陳曉紅 申請人:北京化工大學(xué)