一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，所述方法以碳纤维毡为碳源，无定型硼粉为硼源，金属盐溶液为催化剂，在惰性气体环境下进行高温烧结，最终形成试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维。本发明专利技术制备的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维具有独特的试管刷状形貌和多级结构，而且形貌可调，可通过改变烧结反应温度、烧结保温时间、催化剂浓度调节多级结构纤维中B4C分枝纳米线的数量以及长度。本发明专利技术的方法具有便捷、易于放大和工业生产的优点，制备的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维可用于防护装甲、吸波、催化、环保、半导体材料和核防护材料。

【技术实现步骤摘要】
一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法
本专利技术属于材料
，涉及一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法。
技术介绍
碳化硼是一种具有硬度高、耐磨性好、耐酸碱性强和密度较小的材料。在自然界中，碳化硼的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼材料。此外，碳化硼具有良好的中子和氧气吸收能力，目前已应用于耐磨材料、耐火材料、核工业、防弹、航空航天和高温高能辐射环境等领域。碳化硼材料中存在大量的共价键，其方向性使传统的碳化硼陶瓷材料存在脆性大的缺点。一维结构的碳化硼纳米材料具有优异的力学性能，在树脂、陶瓷和金属增强领域具有重要的应用前景。当前关于一维碳化硼纳米线材料的制备方法十分有限，主要采用以碳纳米管为模板或者化学气相沉积的制备工艺。这些制备方法过程繁琐，时间和金钱成本极高，无法实现工业化大规模的生产。并且，当前碳化硼一维结构材料结构和成分单一，试管刷状多级结构设计使试管刷状绒毛状材料与枝干材料存在较高的几何效应和大量的分枝节点，有利于增强材料间电子的转移和极化作用，在高能辐射防护、储能、催化和电磁波吸收等领域具有广阔的应用前景。
技术实现思路
为了解决现有一维碳化硼纳米材料扩大生产难和结构单一的问题，本专利技术提供了一种简便、低成本、适用于工业化量产的具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，包括如下步骤：一、前处理：将碳纤维毡材料依次置于清洗液和乙醇溶液中进行超声处理，干燥后得到前处理后的碳纤维毡；二、硼源-金属催化剂混合溶液的配置：分别将硼源和金属催化剂溶于溶剂中，然后混合超声分散，得到混合均匀的硼源-金属催化剂混合溶液；三、浸泡处理：将前处理后的碳纤维毡浸泡在硼源-金属催化剂混合溶液中，然后取出干燥，得到负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料；四、烧结处理：将负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料放置于坩埚中，以惰性气体作为保护气，在管式炉中烧结，反应结束后冷却至室温，即可获得具有试管刷状的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维。上述方法制备试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的原理主要是B4C纳米线的VLS生长机制。首先，金属盐物质在高温下分解形成金属氧化物(例如Ni(NO3)2分解后得到NiO)，然后，C和B单质将其还原为金属单质，同时产生气相CO和B2O3，金属催化剂在高温条件下以液滴形式存在，吸附气相的CO和B2O3，最终在C纤维毡表面形核生长得到B4C纳米线。以金属盐为Ni(NO3)2为例，相关反应方程式如下：Ni(NO3)2→NiO(1)；C+NiO→CO(g)+Ni(2)；B+NiO→B2O3(g)+Ni(3)；CO(g)+B2O3(g)→B4C+CO2(g)(4)。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术中使用的碳纤维毡是以活性碳为原料，本身又是纤维，具有如下优点：(1)碳纤维毡具有超高的比表面积和优异的吸附性能力，能充分的吸附溶液中的硼源和金属催化剂，有利于硼源与碳源的充分反应；(2)碳纤维毡为纤维交织的毡状结构，形状大小可调，具有柔软性，与粉末状碳源相比，更容易制备得到可实际应用的复合纤维；(3)碳纤维毡形状尺寸的灵活性和价格便宜的优点，为试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的大批量工业化生产奠定了基础。2、本专利技术B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法具有便捷、易于放大和工业生产的优点，制备的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维可用于防护装甲、吸波、催化、环保、半导体材料和核防护材料。3、本专利技术制备的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维具有独特的试管刷状形貌和多级结构，而且形貌可调，可通过改变烧结反应温度、烧结保温时间、催化剂浓度调节多级结构纤维中B4C分枝纳米线的数量以及长度。附图说明图1为碳纤维毡的SEM图像；图2为实施例1制备的试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的SEM图像，a-2μm，b-10μm，c-10μm，图3为实施例2制备的试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的SEM图像，图4为实施例3制备的试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的SEM图像。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。具体实施方式一：本实施方式提供了一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，所述方法以碳纤维毡为碳源，无定型硼粉为硼源，金属盐溶液为催化剂，在惰性气体环境下进行高温烧结，最终形成试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维，具体实施步骤如下：一、前处理：将碳纤维毡材料裁剪成适当尺寸的形状，依次置于清洗液和乙醇溶液中进行超声处理，干燥后得到前处理后的碳纤维毡，其中：所述碳纤维毡的纤维直径在5～10μm之间；所述清洗液为酸溶液或者碱溶液，酸溶液为HCl溶液、H2SO4溶液和HNO3溶液中的一种，碱溶液为KOH溶液、Ca(OH)2溶液和NaOH溶液中的一种；所述清洗液的浓度为0.4～20wt％；所述超声处理时间为5～100min；所述干燥温度为30～200℃；二、硼源-金属催化剂混合溶液的配置：分别将硼源和金属催化剂溶于溶剂中，然后混合超声分散，得到混合均匀的硼源-金属催化剂混合溶液，其中：所述硼源为无定型纳米硼粉，粒径在0.2～5μm之间；所述溶剂为水或者乙醇；所述金属催化剂为硝酸盐、盐酸盐或硫酸盐；所述硼源在硼源-金属催化剂混合溶液中的浓度为0.01～2.4g/mL；所述硼源和金属盐的摩尔比为6:0.2～2；所述超声分散时间为5～200min；三、浸泡处理：将前处理后的碳纤维毡浸泡在硼源-金属催化剂混合溶液中，然后取出干燥，得到负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料，其中：所述干燥温度为25～200℃；所述浸泡时间为0.1～5h；四、烧结处理：将负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料放置于坩埚中，以惰性气体作为保护气，在管式炉中烧结，反应结束后冷却至室温，即可获得具有试管刷状的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维，其中：所述坩埚为氧化铝坩埚、碳化硅坩埚或石墨坩埚；所述惰性气体为氩气或者氮气；所述烧结温度为1100～1300℃，升温速率为3～10℃/min，保温时间为2～6h。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同是：步骤二中，所述硝酸盐为硝酸铁或硝酸钴；所述盐酸盐为盐酸铁、盐酸钴或盐酸镍；所述硫酸盐为硫酸铁、硫酸钴或硫酸镍。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同是：步骤四中，所述烧结反应温度为1100℃。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同是：步骤四中，所述烧结反应温度为1300℃。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同是：步骤四中，所述升温速率为10℃/min。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同是：步骤四中，所述反应保温时间为2h。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同是：步骤四中，所述保温时间为6h。采用下述实施例验证本专利技术的效果：实施例1：一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，所述方法具体是按以下步骤完成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：一、前处理：将碳纤维毡材料依次置于清洗液和乙醇溶液中进行超声处理，干燥后得到前处理后的碳纤维毡；二、硼源‑金属催化剂混合溶液的配置：分别将硼源和金属催化剂溶于溶剂中，然后混合超声分散，得到混合均匀的硼源‑金属催化剂混合溶液，控制硼源在硼源‑金属催化剂混合溶液中的浓度为0.01～2.4g/mL，硼源和金属盐的摩尔比为6:0.2～2；三、浸泡处理：将前处理后的碳纤维毡浸泡在硼源‑金属催化剂混合溶液中，然后取出干燥，得到负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料；四、烧结处理：将负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料放置于坩埚中，以惰性气体作为保护气，在管式炉中烧结，反应结束后冷却至室温，即获得具有试管刷状的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维，控制烧结温度为1100～1300℃，升温速率为3～10℃/min，保温时间为2～6h。

【技术特征摘要】
1.一种具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：一、前处理：将碳纤维毡材料依次置于清洗液和乙醇溶液中进行超声处理，干燥后得到前处理后的碳纤维毡；二、硼源-金属催化剂混合溶液的配置：分别将硼源和金属催化剂溶于溶剂中，然后混合超声分散，得到混合均匀的硼源-金属催化剂混合溶液，控制硼源在硼源-金属催化剂混合溶液中的浓度为0.01～2.4g/mL，硼源和金属盐的摩尔比为6:0.2～2；三、浸泡处理：将前处理后的碳纤维毡浸泡在硼源-金属催化剂混合溶液中，然后取出干燥，得到负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料；四、烧结处理：将负载有硼源和金属催化剂的碳纤维毡原料放置于坩埚中，以惰性气体作为保护气，在管式炉中烧结，反应结束后冷却至室温，即获得具有试管刷状的B4C纳米线/C纤维多级结构纤维，控制烧结温度为1100～1300℃，升温速率为3～10℃/min，保温时间为2～6h。2.根据权利要求1所述的具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，其特征在于所述步骤一中，碳纤维毡的纤维直径在5～10μm之间。3.根据权利要求1所述的具有试管刷状B4C纳米线/C纤维多级结构纤维的制备方法，其特征在于所述步骤一中，清洗液为酸溶液或者碱溶液，酸溶液为HCl溶液、H2SO4溶液和HNO3溶液中的一种，碱溶液为KOH溶液、Ca(OH...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23