一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法技术

本发明专利技术开发了一种反向模板法制备由Si3N4/SiC纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法。该方法包括如下步骤：(1)将硅溶胶和水溶性炭黑作为初始原料通过超声分散或者球磨配制均匀分散的混合浆料；(2)在步骤(1)所得混合浆料中添加表面活性剂，进行发泡得到超稳定的泡沫；(3)将步骤(2)所得泡沫干燥后得到硅溶胶纳米颗粒和炭黑纳米颗粒组成的泡沫坯体；(4)将步骤(3)所得泡沫坯体进行碳热还原反应，得到由纳米线编织而成的微球材料。本发明专利技术提供了一种低成本的纳米线编织材料的制备方法，制备工艺简单，无需高昂设备。

【技术实现步骤摘要】
一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法
本专利技术属于陶瓷材料
，具体涉及一种以颗粒稳定泡沫坯体作为反向模板结合碳热还原反应制备由纳米线编织微球的新型陶瓷海绵材料的方法。
技术介绍
随着科技的发展，对材料性能要求的不断提高，具有三维纳米结构、超高比表面积、超轻的多孔材料应运而生，诸如碳纳米管气凝胶、聚合物泡沫、微格金属等。陶瓷气凝胶材料因其低密度、高气孔率、高比表面积以及优异的热学/化学稳定性，在隔热、催化剂载体、过滤及轻质结构件等领域具有广阔的应用前景。经典的陶瓷气凝胶由金属氧化物陶瓷体系纳米颗粒组成，其固有的陶瓷脆性及高温体积收缩进一步限制了其发展。WangH等通过高效的溶液吹塑法制备得到了多体系的轻质耐高温三维陶瓷海绵(TiO2，ZrO2，BaTiO3等)，其结构由大量相互交错的陶瓷纤维组成，结果表明该材料具有高的能量吸收以及回弹特性，置于1300℃高温环境中压缩仍能保持良好的恢复力，有望应用于弹性电阻、光催化、隔热等领域。王红洁等人报道了一种在氩气环境中采用化学气相沉积工艺制备由SiC纳米线三维编织而成的陶瓷纳米线气凝胶。目前，关于陶瓷海绵新型材料的研究处于起步阶段，大多集中于金属氧化物体系，具有优异的室温及高温力学、热学及化学稳定性能的Si3N4、SiC陶瓷体系则报道较少。因此，采用一种简便的技术制备超高气孔率、高韧性、超高比表面积的三维纳米结构Si3N4/SiC陶瓷海绵新材料，将为隔热、过滤、催化、透波等领域的发展提供新思路。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
以及存在的问题，本专利技术开发了以颗粒稳定泡沫坯体作为反向模板结合碳热还原反应制备纳米线编织微球的新型陶瓷海绵材料的方法。本专利技术采用技术路线如下，一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法，包括如下步骤：(1)以一定配比的碱性硅溶胶和水溶性炭黑初始原料通过超声分散或者球磨配制均匀分散的水基浆料。碱性硅溶胶粒径为10-50nm，含量为5-20wt.％，炭黑含量为硅溶胶质量的30-60wt％，粒径为10-50nm。(2)在上述浆料中添加表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵中的一种或者任意复配物，加入量为浆料质量的0.1～0.5wt.％，调节pH为9.0-11.5，通过进行发泡得到超稳定的泡沫，可以在长时间内保持足够稳定以抵制泡沫的破裂、歧化等不稳定因素的出现。优选地，采用机械搅拌方式进行发泡。(3)泡沫在恒温恒湿环境下彻底干燥后得到硅溶胶纳米颗粒和炭黑纳米颗粒组成的泡沫坯体。箱内温度为20-35℃，湿度为70-95％。(4)将上述所得的泡沫坯体作为反向模板，通过在氮气或氩气气氛下进行碳热还原反应，以0.5～10℃/min升温速率加热至1450-1650℃，保温0.5～5h。以前期所得泡沫坯体作为反向模板，为随后的碳热还原法合成纳米线提供生长空间，所制备的新型陶瓷材料是由纳米线编织而成的疏松海绵结构，纳米线通过在泡沫坯体气孔里的紧密编织最终得到一种新型球形粉体材料，所制备的Si3N4/SiC纳米线直径为5～150nm。本专利技术的有益效果，本专利技术创新性地以碱性硅溶胶和水溶性炭黑为原料通过简单的直接发泡法制备超稳定的泡沫，进而得到均匀的多孔块体材料，以此为反向模板通过碳热还原反应烧结制备新型结构的Si3N4/SiC纳米线编织微球材料。本专利技术制备工艺简单，无需高昂设备。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的稳定泡沫坯体宏观照片。图2是本专利技术实施例1制备的泡沫坯体的微观SEM照片。图3和图4是本专利技术实施例1制备的Si3N4纳米线编织微球的SEM照片。图5是本专利技术实施例2制备的SiC纳米线编织微球的SEM照片。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步详细说明。实施例1一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法，包括如下步骤：(1)在20wt％的碱性硅溶胶(平均粒径20nm)中加入硅溶胶颗粒质量40wt％的水溶性炭黑，利用行星球磨机混合12h。(2)在上述浆料中添加浆料质量0.1wt.％十二烷基三甲基溴化铵，pH调节至11.5。(3)对浆料通过机械搅拌在1500-2000rmp的转速进行发泡20min，得到硅溶胶和炭黑颗粒稳定的泡沫浆料。(4)在恒温恒湿箱中保持湿度为70％，温度为20℃的环境对颗粒稳定泡沫进行干燥得到多孔坯体，如图1所示。其微观结构如图2所示。(5)将上述所得的泡沫坯体在常压氮气环境中进行反应烧结，以5℃/min升温速率加热至1650℃，然后保温3h，所制备的Si3N4纳米线编织微球如图3和图4所示。实施例2一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法，包括如下步骤：(1)在5wt％的碱性硅溶胶(平均粒径50nm)中加入硅溶胶颗粒质量70wt％的水溶性炭黑，利用行星球磨机混合12h。(2)在上述浆料中添加浆料质量0.5wt％十六烷基三甲基氯化铵，pH调节至9.0。(3)对浆料通过机械搅拌在1500-2000rmp的转速进行发泡5min，得到硅溶胶和炭黑颗粒稳定的泡沫浆料。(4)在恒温恒湿箱中保持95％湿度和35℃的环境对泡沫进行干燥得到干坯。(5)将上述所得的泡沫坯体在常压氩气气氛下烧结，以0.5℃/min升温速率加热至1450℃，然后保温5h，所制备的SiC纳米线编织微球如图5所示。上述实施例对本专利技术的技术方案进行了详细说明。显然，本专利技术并不局限于所描述的实施例。基于本专利技术中的实施例，熟悉本
的人员还可据此做出多种变化，但任何与本专利技术等同或相类似的变化都属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将硅溶胶和水溶性炭黑作为初始原料通过超声分散或者球磨配制均匀分散的混合浆料；(2)在步骤(1)所得混合浆料中添加表面活性剂，进行发泡得到超稳定的泡沫；(3)将步骤(2)所得泡沫干燥后得到硅溶胶纳米颗粒和炭黑纳米颗粒组成的泡沫坯体；(4)将步骤(3)所得泡沫坯体进行碳热还原反应，得到由纳米线编织而成的微球材料。

【技术特征摘要】
1.一种反向模板法制备纳米线编织微球的陶瓷海绵材料方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将硅溶胶和水溶性炭黑作为初始原料通过超声分散或者球磨配制均匀分散的混合浆料；(2)在步骤(1)所得混合浆料中添加表面活性剂，进行发泡得到超稳定的泡沫；(3)将步骤(2)所得泡沫干燥后得到硅溶胶纳米颗粒和炭黑纳米颗粒组成的泡沫坯体；(4)将步骤(3)所得泡沫坯体进行碳热还原反应，得到由纳米线编织而成的微球材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述硅溶胶为碱性硅溶胶，其粒径为10-50nm，含量为5-20wt％，水溶性炭黑添加量为硅溶胶质量的30-60wt％，粒径为10-50nm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金龙，霍文龙，张笑妍，陈雨谷，席小庆，王亚利，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11