一種SiC納米纖維非織造材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米纖維非織造材料的制備方法，尤其是涉及一種SiC納米纖維非織造材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，半導(dǎo)體納米材料由于具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)及力學(xué)等性能，在新型納米光電子器件領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，因而引起了研宄者的極大關(guān)注。一維納米材料的制備、性能和應(yīng)用研宄是當(dāng)今新材料領(lǐng)域的前沿研宄課題，但納米纖維在應(yīng)用中易團(tuán)聚、分散不均勻、難以形成固定形狀等問題一直是納米纖維難以應(yīng)用的弊端。納米纖維非織造材料是一種自支撐(Free-standing)薄膜，是一種通過一維納米材料間的范德華力由相互糾纏構(gòu)成的膜狀材料，解決了碳化硅納米纖維在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題也拓寬了納米纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，這類膜狀材料引起了國內(nèi)外科研工作者的極大關(guān)注，已有多種膜狀材料已被科研工作者制備出來，如:碳納米管、娃納米線、鍺納米線、氧化猛納米線、二氧化鈦納米線和氧化鋅納米線紙/薄膜。
[0003]碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料是繼第一代元素半導(dǎo)體材料(Si)和第二代化合物半導(dǎo)體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料，具有間接寬禁帶、大的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率和高的電子飽和漂移速度等特點(diǎn)。碳化硅納米纖維非織造材料是具備了碳化硅的優(yōu)異性能的同時(shí)擁有二維柔性材料的特點(diǎn)。碳化硅材料的優(yōu)異性能及納米纖維非織造材料膜材料具有的納米級(jí)孔徑的表面特點(diǎn)，使SiC納米纖維非織造材料具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]國內(nèi)外關(guān)于碳化硅納米纖維非織造材料的制備報(bào)道較少。溫廣武等在惰性氣氛中高溫?zé)崽幚矸蔷B(tài)S1-B-O-C復(fù)合粉體獲得碳化娃納米無紡布材料(一種碳化娃納米無紡布及其制備方法ZL201010204482.4)。發(fā)明人課題組采用抽濾的方法實(shí)現(xiàn)了柔韌性和不可燃的碳化娃納米纖維紙制備(Highly flexible, nonflammable and free-standing SiCnanowire paper, Nanoscale, 2015, 7: 6374-6379.)。SiC納米纖維非織造材料的制備及性能研宄對(duì)于其在高溫、高頻、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕和強(qiáng)氧化等苛刻環(huán)境下工作的高強(qiáng)度復(fù)合材料、耐燒蝕材料、防輻射材料、催化載體、分離過濾膜和傳感器等多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種SiC納米纖維非織造材料的制備方法，是以碳纖維為碳源和基底，生長的SiC納米纖維氈為原料直接滾壓法制備一種SiC納米纖維非織造材料的方法。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明以碳纖維為碳源和基底，含碳的干凝膠粉為獲得S1與CO反應(yīng)氣體的原料，在坩禍內(nèi)，通過高溫碳熱還原法合成SiC納米纖維氈，采用滾壓法滾壓SiC納米纖維氈，獲得自支撐的納米纖維非織造材料。
[0007]所述的含碳干凝膠粉置于坩禍底部，碳纖維置于干凝膠粉的上部，兩者分離，高溫下在密閉的坩禍內(nèi)部發(fā)生氣-固反應(yīng)生成碳化硅納米纖維氈。
[0008]所述的高溫碳熱還原法合成SiC納米纖維氈的工藝過程是:
1)首先通過溶膠-凝膠法制備含碳凝膠，含碳的干凝膠粉是以炭黑或可膨脹石墨為碳源，硅酸或正硅酸乙酯為硅源；
2)凝膠干燥后，研磨成粉狀的干凝膠粉和硅粉按質(zhì)量比I?4:1均勻混合，置于石墨坩禍底部，碳纖維置于干凝膠粉的上部，并放入高溫氣氛箱式爐內(nèi)，抽真空并充入保護(hù)氣體；
3)升溫到1300~1600°C，保溫?zé)Y(jié)3~6h，隨爐自然冷卻至常溫，取出樣品，發(fā)現(xiàn)黑色的碳纖維變成了綠色SiC納米纖維，經(jīng)表征該產(chǎn)物為單晶3C-SiC納米纖維氈。
[0009]所述將燒制得的蓬松狀SiC納米纖維氈置于玻璃基板上，再施加均勻的力滾壓，排除納米纖維之間的空隙；這些相互貫通，緊密接觸的SiC納米纖維依靠自身間的相互纏繞和范德華力，獲得高強(qiáng)度的SiC納米纖維非織造材料。
[0010]所述含碳的干凝膠粉制備:包括以正硅酸乙酯為硅源的溶膠-凝膠工藝，是將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入炭黑或可膨脹石墨，磁力攪拌配制混合凝膠；其中正硅酸乙酯和炭黑或可膨脹石墨比例，保證碳與硅的摩爾比為1:0.5?2，正硅酸乙酯、無水乙醇、水和草酸的摩爾比為1:0.86:4:7.2X 10_4，草酸稀釋至 0.01mol/Lo
[0011]所述的含碳的干凝膠粉制備:包括以硅酸為硅源的溶膠-凝膠工藝，是將鹽酸加入水玻璃來制備硅酸溶膠，然后加入炭黑或可膨脹石墨，磁力攪拌配制混合凝膠；其中水玻璃與炭黑或可膨脹石墨比例，保證碳與硅的摩爾比為1:0.5?2。
[0012]本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比，具有的有益的效果是:
SiC納米纖維非織造材料與SiC納米纖維相比，結(jié)構(gòu)的變化使其既具有SiC納米纖維材料優(yōu)良的物理化學(xué)性能，又兼具膜材料的特點(diǎn)；同時(shí)，采用簡單直接滾壓法滾壓SiC納米纖維氈，依靠一維SiC納米材料自身間的范德華力，相互糾纏，構(gòu)成像紙一樣的自支撐納米纖維非織造材料，方法簡單，制備周期短，產(chǎn)率高。本發(fā)明首次采用以碳纖維為基底生長的SiC納米纖維氈為原料，通過直接滾壓法來獲得SiC納米纖維非織造材料。生產(chǎn)過程具有低能源消耗低成本、工藝簡單、無污染、無需催化劑等優(yōu)點(diǎn)。該SiC納米纖維非織造材料具有柔順、耐火、阻燃和高強(qiáng)度等性能，SiC納米纖維非織造材料在柔性電子、納米復(fù)合材料、高溫過濾、催化劑載體和高溫傳感等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例3的產(chǎn)物碳化硅納米纖維氈的數(shù)碼照片。
[0014]圖2是本發(fā)明實(shí)施例3的產(chǎn)物碳化硅納米纖維非織造材料的數(shù)碼照片。
[0015]圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的產(chǎn)物碳化硅納米纖維非織造材料的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]實(shí)施例1:
本實(shí)施例一種SiC納米纖維非織造材料的制備方法步驟如下:
a.將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入可膨脹石墨，磁力攪拌配制混合凝膠，其中正硅酸乙酯和可膨脹石墨的比例，保證碳與硅的摩爾比為1:0.5，正硅酸乙酯:無水乙醇:水:草酸的摩爾比為1:0.86:4:7.2X 10_4，草酸稀釋至0.01mol/L ；
b.凝膠干燥后，研磨成粉狀的干凝膠粉和硅粉按質(zhì)量比1:1均勻混合，置于石墨坩禍底部，碳纖維置于干凝膠粉的上部，放入高溫氣氛箱式爐內(nèi)，抽真空，并充入氬氣作為保護(hù)氣體；
c.升溫到1300°C，保溫?zé)Y(jié)6h，隨爐自然冷卻至常溫，開爐既得SiC納米纖維氈；
d.燒制得的蓬松狀SiC納米纖維氈置于玻璃基板上，再施加均勻的力滾壓，排除納米纖維之間的空隙；這些相互貫通，緊密接觸的SiC納米纖維依靠自身間的相互纏繞和范德華力，獲得高強(qiáng)度的SiC納米纖維非織造材料。
[0018]實(shí)施例2:
a.將正硅酸乙酯溶解于無水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，然后加入炭黑，磁力攪拌配制混合凝膠，其中正硅酸乙酯和炭黑比例，保證碳與硅的摩爾比為1:0.5，正硅酸乙酯:無水乙醇:水:草酸的摩爾比為1:0.86:4:7.2\10-4，草酸稀釋至0.0111101/L ；
b.凝膠干