一种石墨烯包覆纳米碳化硅的复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开一种制备石墨烯包覆纳米SiC复合材料的方法。首先，利用长碳链表面活性剂的二甲基亚砜/水溶液的分选作用，使得纳米SiC与表面活性剂一同悬浮于溶液中，微米或更大尺寸的SiC不能够有效悬浮，达到从微米SiC与纳米SiC的混合粉体中，高选择性提取出纳米SiC的目的。然后，将纳米SiC与石墨球磨，并通过常压升温处理制备石墨烯包覆的纳米SiC材料。本发明专利技术所述方法的溶剂毒性低、不易挥发、可循环利用，无废液排放，操作温度宽。制备过程无需高真空条件，简便高效、成本低，可解决现有生产工艺设备复杂、操作不便、成本高、产量低的问题，提供一种易操作、低成本批量生产的石墨烯包覆纳米SiC复合材料的工艺方法，具有广泛的工业化应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米碳化硅复合材料的制备方法
，具体涉及一种石墨烯包覆的纳米碳化硅复合材料的制备方法，及由此方法获得的复合材料。
技术介绍
碳化硅(SiC)具有强度高、抗氧化、耐腐蚀、导热性好、热膨胀系数低等特性。石墨烯也具有优异的光学、电学、力学和热学性能。此外，二者均具有储氢及吸收雷达波的性能。制备石墨烯包覆的纳米碳化硅复合材料，可有效结合和发挥二者的特性优势，在机械、电子、化工、储能、光催化、隐身材料、航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前，已报道的纳米SiC的制备方法主要包括激光烧蚀法(Shi W，Zheng Y，Peng H，et al.Laser ablation synthesis and optical characterization of silicon carbide nanowires[J].Journal of the American Ceramic Society，2000，83(12)：3228-3230.)、气相化学沉积法(Choi H J，Seong H K，Lee J C，et al.Growth and modulation of silicon carbide nanowires[J].Journal of crystal growth，2004，269(2)：472-478.)、电弧放电法(Seeger T，Kohler-Redlich P，Ruehle M.Synthesis of Nanometer-Sized SiC Whiskers in the Arc-Discharge[J].Advanced Materials，2000，12(4)：279-282.)、溶剂热法(Lu Q，Hu J，Tang K，et al.Growth of SiCnanorods at low temperature[J].Applied physics letters，1999，75(4)：507-509.)等。这些方法通常涉及苛刻的反应条件和复杂的操作过程。比如，超高温的模板法、激光烧蚀法、电弧放电法、或涉及较大压力的溶剂热法，而且生产过程还可能产生对环境和人体有害的气体和粉尘，制备工艺设备投资较大。低成本制备SiC的工业方法是将石英砂与石油焦在电阻炉中加热，使之发生碳热还原反应，生成块体SiC；通过研磨工艺，可使块体SiC破碎成为SiC粉体。但是，研磨法制备的SiC粉体存在粒度分布过宽的问题，其中有较大量的微米SiC与纳米SiC共存，大大限制后者的使用，阻碍了纳米SiC的规模化制备以及应用。
技术实现思路
本专利技术提出一种石墨烯包覆SiC纳米复合材料的制备方法，包括一种易操作、低成本的纳米SiC的制备方法以及石墨烯包覆纳米SiC复合材料的制备方法。首先，从低成本工艺制备的微米SiC与纳米SiC的混合粉体中，提取出纳米SiC；然后，将纳米SiC与石墨球磨，通过隔绝空气的常压升温处理制备石墨烯包覆的纳米SiC的壳核材料。制备过程无需高真空条件，具有 简便、高效、节能、成本低等特点。在本专利技术所述的工艺流程中提供整个工艺流程如图1所示。具体制备方法包括以下步骤：(1)选取研磨法等低成本制备的纳米SiC和微米SiC的混合粉体作为原料，将其与分选溶液按照1g：2-10mL的比例充分混合，静置6-24h；其中，优选的混合比例为1g：5mL。所使用的分选溶液是由含有长碳链结构表面活性剂的二甲基亚砜的饱和溶液、二甲基亚砜以及水按1：0-2：0-3的体积比，配制而成的混合溶液；所使用的表面活性剂具有线性长碳链结构，其中碳链的碳原子数为12-32。例如，十二烷基苯磺酸、十六烷基苯磺酸、棕榈酸、油酸的钠盐或钾盐等阴离子型表面活性剂中的一种或几种的混合物；或者为十二烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、三十二烷基甲基氯化铵、硬脂基二甲基苄基氯化铵等阳离子型表面活性剂中的一种或几种的混合物。其中，优选的表面活性剂为油酸钠。具体的，步骤(1)所述的充分混合的方法为超声和/或振荡。优选的情况下，所述超声条件为5-6KHz进行8-12min，振荡条件为200-400r/min进行150-200min。(2)将步骤(1)静置后的上层悬浊液与下层固相进行分离，下层固相为微米碳化硅。上层悬浊液经离心或过滤后，得到的固相为纳米SiC；液相为分选溶剂，可重复用于纳米碳化硅的分选。具体的，所进行的离心分离转速为2000-5000r/min，离心时间为20-40min。(3)将步骤(2)中获得的纳米SiC与石墨粉混合后，采用水或乙醇作为液相介质进行湿法球磨。具体的，纳米SiC、石墨粉、液相介质的质量比为1:1-3:1-3；具体的，球磨转速为50-600r/min，球磨时间为4-48h，纳米SiC和石墨粉的总质量与研磨球的质量比为1：5-20。(4)将步骤(3)的球磨产物干燥后，置于马弗炉中隔绝空气加热；所述的隔绝空气条件，可以采用将干燥的球磨产物置于带密封盖的石墨坩埚中；然后，将石墨坩埚置于带密封盖的刚玉坩埚中，使石墨坩埚以及封装的球磨产物隔绝空气。所述的加热条件为：从室温逐步升温至1300-1600℃，升温速率每分钟2-7℃，保温时间为1-8h，得到石墨烯包覆纳米SiC的复合材料。本专利技术对纳米SiC与微米SiC进行分选的原理：SiC表面在自然环境中会发生部分氧化并呈现极性。当其处于长链表面活性剂的溶液中时，表面活性剂的极性基团会吸附于SiC粒子的极性表面，并将非极性的长碳链朝向溶液。溶剂分子的布朗运动对表面活性剂的长碳链进行碰撞，可使得吸附于纳米SiC表面的表面活性剂分子，连同其所吸附的纳米SiC一并进入溶液，呈悬浮状态。与之相比，表面活性剂在 比表面较低的微米SiC表面的吸附作用，不足以将其悬浮。因此，微米SiC在溶液底部形成沉淀。分离上层悬浊液和下层沉淀，可实现纳米SiC与微米SiC的分离。以半径为r，密度为ρ球形SiC为例，对这种悬浮作用的差异进行说明：图3给出了表面活性剂在不同粒径SiC表面的吸附示意图。设表面活性剂在SiC表面的单位面积上的吸附密度为a，则表面活性剂在SiC表面的吸附量总量为：A＝4aπr2。如上所述，在SiC表面吸附的表面活性剂分子越多，其所受到的悬浮作用越强。定义m为吸附的表面活性剂对单位质量SiC所施加的浮力系数： m = A ρ V = 4 απr 2 ρ 4 πr 3 3 = 3 α ρ · 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯包覆纳米碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以纳米SiC和微米SiC的混合粉体作为原料，将其与分选溶液按照1g：2～10mL的比例充分混合后静置；所述的分选溶液的配制方法是，将含有表面活性剂的二甲基亚砜的饱和溶液、二甲基亚砜以及水按1：0～2：0～3的体积比混合；其中，所述的表面活性剂具有线性长碳链结构，碳原子数为12～32；(2)将步骤(1)静置后的上层悬浊液与下层固相进行分离，上层悬浊液经离心或过滤后，得到纳米SiC；(3)将步骤(2)中获得的纳米SiC与石墨粉混合后，采用水或乙醇作为液相介质进行湿法球磨，其中，纳米SiC、石墨粉、液相介质的质量比为1:1‑3:1‑3；(4)将步骤(3)的球磨产物干燥后，置于马弗炉中隔绝空气加热；所述的加热条件为：从室温逐步升温至1300‑1600℃，升温速率每分钟1‑7℃，保温时间为1‑8h，得到石墨烯包覆纳米SiC的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆纳米碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以纳米SiC和微米SiC的混合粉体作为原料，将其与分选溶液按照1g：2～10mL的比例充分混合后静置；所述的分选溶液的配制方法是，将含有表面活性剂的二甲基亚砜的饱和溶液、二甲基亚砜以及水按1：0～2：0～3的体积比混合；其中，所述的表面活性剂具有线性长碳链结构，碳原子数为12～32；(2)将步骤(1)静置后的上层悬浊液与下层固相进行分离，上层悬浊液经离心或过滤后，得到纳米SiC；(3)将步骤(2)中获得的纳米SiC与石墨粉混合后，采用水或乙醇作为液相介质进行湿法球磨，其中，纳米SiC、石墨粉、液相介质的质量比为1:1-3:1-3；(4)将步骤(3)的球磨产物干燥后，置于马弗炉中隔绝空气加热；所述的加热条件为：从室温逐步升温至1300-1600℃，升温速率每分钟1-7℃，保温时间为1-8h，得到石墨烯包覆纳米SiC的复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂选自十二烷基苯磺酸、十六烷基苯磺酸、棕榈酸、油酸的钠盐或钾盐中的一种或几种的混合物；或者选自十二烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：于迎涛，李杰，刘云鹏，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21