单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：(1)将碳源与白炭黑进行湿法均匀混合，其中碳源中C与白炭黑中SiO2的摩尔比为(3‑4):1，反应后干燥后得到前驱体；(2)将步骤(1)得到的前驱体在气氛加热炉中，在1400‑1600℃碳热还原反应1‑4 h，得到粗产品；(3)将步骤(2)得到的粗产品采用酸洗浸泡和液固分离的方法去除杂质，干燥后得到单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。本发明专利技术属于纳米材料领域，工艺流程短，所需设备和操作简单，可以实现高性能纳米纤维增强相材料的规模化制备，具有很好的工业化前景。利用本发明专利技术所制备的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维可以用陶瓷材料、高分子材料或者金属材料的增强增韧相。

Single crystal silicon carbide/graphene core-shell nanofibers and their preparation methods and Applications

【技术实现步骤摘要】
单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米新材料专利
，涉及一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法和应用。
技术介绍
SiC纤维是一种常见的耐高温材料和增强材料，其常温和高温力学性能都十分有益，在各种复合材料中应用广泛。研究者们开发了一系列工艺来制备纤维状SiC，例如碳热还原法，化学气相沉积法（CVD），电弧放电法，硅烷有机物分解法、激光烧蚀反应法、溶剂热反应法、镁热还原法等。然而这些方法的推广应用也面临一些限制：化学气相沉积法设备复杂，流程长，原料纯度要求高；电弧放电法和激光烧蚀法设备昂贵；硅烷有机物分解法原料毒性大；溶剂热反应法和镁热还原法产品纯度低，工艺重复性差。相比而言，碳热还原法由于其高产率、低成本和易操作等特点被认为是最经济可行的。简而言之，碳热还原反应是使用碳源在高温下还原SiO2制备SiC。尽管近年来对碳热还原法制备SiC的研究取得了很多重要的进展，从工业角度来看，进一步完善SiC纤维的制备工艺和提高产品性能仍然存在很大的空间。SiC单晶纤维晶格内部缺陷很少，它具有相当好的抗高温性能、强度和韧性。石墨烯是近年来最受关注的二维材料，其不仅是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。此外，石墨烯与陶瓷材料、高分子材料和金属材料都具有非常好的相容性和匹配性，且其拥有像石墨一样的层间滑移性能，可以改善SiC纤维和各种基体之间的接触界面性能。目前已经有研究指出，SiC粉末在高温环境中，其表面的Si原子由于活性比较高会率先挥发出去，残留的C原子在高温条件下经过自组装过程可以形成结构良好、包覆均匀的石墨烯薄膜。如若可以制备得到单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维，应用在多种复合材料中（陶瓷基、高分子基、金属基等）均可以具备非常优异的增强增韧效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，该制备方法工艺流程短，所需设备和操作简单，可以实现高性能纳米纤维增强相材料的规模化制备，具有很好的工业化前景。本专利技术还提供一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。本专利技术还提供单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的应用，主要在复合材料中增强增韧相方面的应用。为达到以上专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将碳源与白炭黑进行湿法均匀混合，其中碳源中C与白炭黑中SiO2的摩尔比为(3-4):1，反应后干燥后得到前驱体；(2)将步骤(1)得到的前驱体在气氛加热炉中，在1400-1600℃碳热还原反应1-4h，得到粗产品；(3)将步骤(2)得到的粗产品采用酸洗浸泡和液固分离的方法去除杂质，干燥后得到单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。优选地，步骤(1)所述碳源选用活性炭、炭黑或二者的任意混合。优选地，步骤(1)中所述白炭黑为SiO2含量大于99%的纳米粉末；所述白炭黑的平均粒径小于100nm；所述白炭黑的比表面积大于200m2/g。优选地，步骤(1)中所述湿法均匀混合采用湿法球磨，湿法球磨的液相为水，液固体积质量比为10-50mL/g；同时添加0.2-0.5mg/mL分散剂，所述分散剂选用六偏磷酸钠或羧甲基纤维素。优选地，湿法球磨的球磨介质为碳化硅球，球料质量比为5-50；湿法球磨的转速为200-600rpm，球磨时间为10-60min。优选地，湿法球磨后的浆料进行干燥（采用烘干、冷冻干燥或者真空干燥都可），干燥后的前驱体的含水量小于1wt%。优选地，步骤(2)所述碳热还原反应在10-4-10-3Pa气压下惰性气体气氛中进行；所述惰性气体选用氩气。优选地，步骤(3)采用酸洗浸泡和液固分离去除杂质过程如下；粗产品用质量分数为5-40%的氢氟酸溶液，在10-40℃条件下浸泡30-120min，酸溶液和粗产品的液固体积质量比为3-10mL/g；酸洗去除未反应的SiO2，同时浮选去除未反应的杂质C，再进行液固分离，分离后采用水或者酒精对分离的固体反复洗涤，之后在50-100℃下干燥至含水量小于1wt%，即得到单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。上述制备方法制得的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。上述单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维在陶瓷材料、高分子材料或者金属材料的增强增韧相方面的应用。本专利技术的制备原理如下：首先发生的是碳化硅晶须的原位成核生长，通过碳热还原反应，白炭黑被碳源还原为碳化硅晶核，碳化硅晶核随后依照V-L-S机理生长为碳化硅单晶纤维；保温过程中碳化硅单晶纤维在炉内高温环境中，其表面的Si原子由于活性比较高会率先挥发出去，残留的C原子在高温条件下经过自组装过程可以形成结构良好、包覆均匀的石墨烯薄膜。本专利技术将碳热还原反应，表面Si空位生成与扩散，以及表面C原子自组装等多个材料合成步骤耦合在同一反应器中，且成品具备原位生成的紧密碳化硅/石墨烯异质界面，使成品纳米纤维拥有与陶瓷基体、高分子基体或者金属基体良好的相容性，保证了其增强增韧性能。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术采用一种原位成核生长的方法，原位生成的紧密碳化硅/石墨烯异质界面，制备的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维具有良好的增强增韧性能。2、制得的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维直径为100nm以下，长度可达数十微米。纤维芯部为碳化硅单晶，相比普通多晶或者无定型态纤维力学性能更优；纤维外部壳层为石墨烯，可以保护纤维免受氧化和腐蚀侵蚀，同时增加了纤维的韧性和与坯体的相容性。本专利技术产品适用作陶瓷材料、高分子材料或者金属材料的新型增强增韧材料。3、本专利技术的制备方法简单易行，烧结能耗低，设备要求低，适合于工业化生产。4、本专利技术所采用的原料成本和工艺成本低，产品附加值高，具有很好的经济效益。附图说明图1是本专利技术制备单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的工艺流程图（也作摘要附图）；图2是本专利技术实施例1制备得到的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的SEM图；图3是本专利技术实施例1制备得到的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的HR-TEM图；图4是本专利技术实施例1制备得到的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的SAED图；图5是本专利技术实施例1制备得到的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的拉曼光谱图。具体实施方式下面通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本专利技术，不应视为对本专利技术的具体限制。以下实例中原料选用如下：炭黑选用型号HiBlack5L,生产公司LGChemicalCo.Ltd.,RepublicofKorea；活性炭选用椰壳活性炭，生产公司Aldrich，球磨为粒径小于100目中国标准筛的粉末；白炭黑选用Aldrich公司生产的粒径小于100nm的产品；实施例1本实施例单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，如图1制备步骤如下：(1)准备炭黑与白炭黑，按照炭黑中C与白炭黑中SiO2的摩尔比为3:1加入球磨机中，球磨介质为碳化硅，球料质量比选择为5，按照与原料液固体积质量比为10mL/g量加入水调成湿料，向湿料中添加入0.5mg/mL的六偏磷酸钠作为分散剂；湿法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将碳源与白炭黑进行湿法均匀混合，其中碳源中C与白炭黑中SiO2的摩尔比为(3‑4):1，反应后干燥后得到前驱体；(2)将步骤(1)得到的前驱体在气氛加热炉中，在1400‑1600℃碳热还原反应1‑4 h，得到粗产品；(3)将步骤(2)得到的粗产品采用酸洗浸泡和液固分离的方法去除杂质，干燥后得到单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将碳源与白炭黑进行湿法均匀混合，其中碳源中C与白炭黑中SiO2的摩尔比为(3-4):1，反应后干燥后得到前驱体；(2)将步骤(1)得到的前驱体在气氛加热炉中，在1400-1600℃碳热还原反应1-4h，得到粗产品；(3)将步骤(2)得到的粗产品采用酸洗浸泡和液固分离的方法去除杂质，干燥后得到单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维。2.根据权利要求1所述的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碳源选用活性炭、炭黑或二者的任意混合。3.根据权利要求2所述的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述白炭黑为SiO2含量大于99%的纳米粉末；所述白炭黑的平均粒径小于100nm；所述白炭黑的比表面积大于200m2/g。4.根据权利要求1-3任一所述的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述湿法均匀混合采用湿法球磨，湿法球磨的液相为水，液固体积质量比为10-50mL/g；同时添加0.2-0.5mg/mL分散剂，所述分散剂选用六偏磷酸钠或羧甲基纤维素。5.根据权利要求4所述的单晶碳化硅/石墨烯核壳结构纳米纤维的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴应红，朱迪炜，吴晓雪，
申请(专利权)人：清芯未来北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11