一种链珠状碳化硅纳米材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于碳化硅纳米材料领域，具体提供一种链珠状碳化硅纳米材料、制备方法及其应用。本专利采用液相法制备前驱体溶液，再通过静电纺丝对溶液在静电力的作用下进行拉拔抽丝获得一维SiC预制体纤维膜，最后通过热处理去除杂质并结晶获得大规模连续一维SiC纳米材料。本发明专利技术制备具有链珠状分级结构的一维SiC纳米材料，是作为结构单元或复合组元的优质原料。它所具备的电学性能，在能量存储和转化、传感、光电子以及场辐射等方面具有巨大的应用价值。链珠状的分级结构，有望用于作为基体增强相来提高材料的机械性能。相来提高材料的机械性能。相来提高材料的机械性能。

【技术实现步骤摘要】
一种链珠状碳化硅纳米材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于碳化硅纳米材料领域，更具体地，涉及一种链珠状碳化硅纳米材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]现有的技术当中，将材料纳米化是获得高性能功能材料的主流趋势，尤其是针对在能源，医学，环境保护等领域应用器件的功能元件。SiC作为新兴的半导体材料，各种纳米结构展现出不同电磁特性，已经实现了初步应用。一维SiC纳米材料所具备的各项优异性能，尤其是在力学和电学特性方面比其微米材料和其他纳米结构更具优势。气相法和液相法是制备一维SiC纳米材料的有效手段，通过调控不同工艺参数可获得不同结构的一维纳米结构。同时，静电纺丝技术是连续大规模制备长程一维纳米材料的有效手段。此外，一维SiC纳米材料可与其他材料复合，从而改善整体材料的机械性能和电学性能，从而满足实际应用需求。
[0003]一维纳米材料，如纳米线/纳米棒、纳米针、纳米管和纳米棒等，由于其独特的长径比和物理化学特性，在力学、热学、光学、电磁学等领域展现出巨大的潜在应用价值，在近十年来备受关注。目前，一维纳米材料常用于能量存储和转化、传感、光电子以及场辐射等纳米器件的功能或结构元件。
[0004]作为半导体家族里的新成员，一维SiC纳米材料表现出宽频带半导体特性，因此有望成为比Si更具前景的半导体材料。此外，一维SiC纳米材料拥有比其微米材料更好的机械性能，更低的电导阈值和更易与其他材料复合等特性。种种优势表明，一维SiC纳米材料是作为电子和光电子纳米器件的理想材料，并且在电磁能量的存储、转化与吸收方面也具有巨大的潜在应用价值。
[0005]目前，国内外一维SiC纳米材料的制备方法主要分为气相法和液相法。气相法是通过在高温条件下裂解预置前驱体化合物，于冷却过程中在基体上形核并长大并形成纳米结构。考虑的因素颇多，包括原料的调配、催化剂的种类、前驱体裂解温度、前驱体化蒸汽时间、使用的载气、周围环境压强、形核过程中的冷却速率和纳米结构与基底的结合等等，都是制备超细纳米结构和高精度纳米材料的有效手段。显然，以气相法来合成一维SiC纳米材料需要在高温下合成，对设备的耐高温性（一般超过1200℃）和耐压性有较高要求，工艺条件更为苛刻，从而导致制备成本大幅度上升。相对气相法，液相法制备就无需以上苛刻条件，是一种更贴近实际应用的制备一维SiC纳米材料的有效手段。目前，众多研究工作者们已经成功通过水浴法和电化学刻蚀制备出具备各种形貌的一维SiC纳米材料。然而，通过以上方法合成的纳米结构主要分布于基体表面，对大规模制备及应用具有一定局限性。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种工艺周期短、制备条件要求低和成品量大的链珠状碳化硅纳米材料的制备方法。该方法
通过控制工艺参数，成功获得具有链珠状分级结构的一维SiC纳米材料。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种在能量存储和转化、传感、光电子以及场辐射等方面具有巨大应用价值的链珠状碳化硅纳米材料。
[0008]本专利技术还有一目的在于提供一种链珠状碳化硅纳米材料在催化剂载体、电磁波吸收、氢气存储、功能复合材料、隔热材料、高温传感器和超级电容器中的应用。
[0009]为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：本专利技术公开了一种链珠状碳化硅纳米材料的制备方法，包括以下步骤：S1.预纺丝溶液的配置：将硅源、碳源、溶剂按质量百分比为3~10：5~20：75~92混合，并搅拌均匀，得预纺丝溶液；其中：所述溶剂包括溶剂一和溶剂二，所述溶剂一包括碳源溶剂和硅源溶剂，所述碳源溶剂和硅源溶剂质量百分比为5~10：90~95；所述溶剂二为吐温80或聚乙烯醇的一种与高纯乙醇混合，所述吐温80或聚乙烯醇与高纯乙醇的质量百分比为1：1~5；所述溶剂一和溶剂二按照比例1：2~4进行混合；S2.静电纺丝：将步骤S1所得预纺丝溶液进行静电纺丝工艺，得一维SiC纳米材料预制体纤维膜；S3.热处理：将步骤S2所得一维SiC纳米材料预制体纤维膜干燥后进行阶段进行热处理，得具有链珠状分级结构的一维SiC纳米材料。
[0010]进一步地，所述热处理的工艺具体为：将干燥后的所述一维SiC纳米材料预制体纤维膜，由室温加热至170~250℃，升温速率1~3℃/min，保温1小时以上；抽真空，充入惰性气体（氮气或Ar气体），维持炉内压强大于大气压强，继续升温至600~850℃，升温速率1~3℃/min，并保温1~5h；继续升温至1200~1450℃，升温速率1~5℃/min，并保温1~5h，最后随炉冷却降至室温，得具有链珠状分级结构的一维SiC纳米材料。
[0011]优选地，步骤S1中，硅源为聚甲基硅烷（PMS）和聚碳硅烷（PCS）中的至少一种。
[0012]优选地，步骤S1中，碳源为聚丙烯晴（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）中的至少一种。
[0013]优选地，步骤S1中，所述溶剂一和溶剂二在恒温10~80℃下搅拌0.5h~6h，得混合溶剂。
[0014]优选地，步骤S1中，所述硅源、碳源、溶剂在室温下混合搅拌2h~24h，得预纺丝溶液。
[0015]作为本方案的优选方案，步骤S1中，所述溶剂中的碳源溶剂和硅源溶剂质量百分比为1：9；所述吐温80（或聚乙烯醇）和高纯乙醇的质量百分比为1：4；所述溶剂一和溶剂二按照比例1：3进行混合；将预纺丝溶剂与PAN，PCS按照质量比86.1 wt%，4.1 wt%，9.8 wt%混合，在室温下磁力搅拌混合12h，获得预纺丝溶液。
[0016]优选地，步骤S2中，静电纺丝工艺具体为：将预纺丝溶液置于注射器中，纺丝空间为一密闭空间，注射器针间处接静电电压正极，负极接入圆柱型铝板转筒，两端电压为8
‑
21 KV，正负极中心直线距离12
‑
24 cm，注射器推进速度为0.8
‑
1.5 ml/h，环境相对湿度为20
‑
60 %。
[0017]优选地，步骤S3中，内压强大于大气压强5~15 KPa。
[0018]本专利技术还公开了一种链珠状碳化硅纳米材料的制备方法制备得到的碳化硅纳米材料。
[0019]本专利技术还公开了一种链珠状碳化硅纳米材料的制备方法制备得到的碳化硅纳米材料在催化剂载体、电磁波吸收、氢气存储、功能复合材料、隔热材料、高温传感器和超级电容器中的应用。
[0020]相比现有技术，本专利技术有益效果如下：本专利技术采取静电纺丝制备一维SiC纳米材料，具备工艺周期短，制备条件要求低和成品量大等优点，从制备工艺上解决了一维纳米材料制备价格昂贵的问题。
[0021]本专利技术通过可控的溶液浓度，静电纺丝工艺，相匹配热处理条件，能够很好地调控一维纳米材料的尺寸和形貌，并从中获得具备的链珠状分级结构：（1）本专利技术在溶液配比过程中，优选采用聚碳硅烷（PCS）作为有机前驱体Si源，其本身就具备丰富碳源，为热解合成SiC提供了所需元素充足保障。其次，聚碳硅烷本身不溶于N，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种链珠状碳化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.预纺丝溶液的配置：将硅源、碳源、溶剂按质量百分比为3~10：5~20：75~92混合，并混合均匀，得预纺丝溶液；其中：所述溶剂包括溶剂一和溶剂二，所述溶剂一包括碳源溶剂和硅源溶剂，所述碳源溶剂和硅源溶剂质量百分比为5~10：90~95；所述溶剂二为吐温80或聚乙烯醇的一种与高纯乙醇混合，所述吐温80或聚乙烯醇与高纯乙醇的质量百分比为1：1~5；所述溶剂一和溶剂二按照比例1：2~4进行混合；S2.静电纺丝：将步骤S1所得预纺丝溶液进行静电纺丝工艺，得一维SiC纳米材料预制体纤维膜；S3.热处理：将步骤S2所得一维SiC纳米材料预制体纤维膜干燥后进行热处理，得具有链珠状分级结构的一维SiC纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种链珠状碳化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，所述热处理的工艺具体为：将干燥后的所述一维SiC纳米材料预制体纤维膜，由室温加热至170~250℃，升温速率1~3℃/min，保温1小时以上；抽真空，充入惰性气体，维持炉内压强大于大气压强，继续升温至600~850℃，升温速率1~3℃/min，并保温1~5h；继续升温至1200~1450℃，升温速率1~5℃/min，并保温1~5h，最后随炉冷却降至室温。3.根据权利要求1所述的一种链珠状碳化硅纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，硅源为聚甲基硅烷（PMS）和聚碳硅烷（PCS）中的至少一种。4.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，庞亮，肖鹏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：