本發(fā)明屬于碳化硅材料制備，具體涉及一種利用可再生資源回收制備碳化硅納米線的方法。

背景技術(shù)：

1、碳化硅是一種耐高溫，抗高壓，低密度、強(qiáng)氧化性的優(yōu)異半導(dǎo)體材料。其中碳化硅納米線作為一維結(jié)構(gòu)，因其獨(dú)有納米級纖維結(jié)構(gòu)，還具有寬帶隙、高介電損耗、高比表面積和耐腐蝕等特點(diǎn)，常作為一種增強(qiáng)材料來彌補(bǔ)復(fù)合材料中的缺陷，以制備出更高性能的復(fù)合材料，該材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到航空、電子通信、陶瓷等行業(yè)中。

2、傳統(tǒng)上，碳化硅納米材料以碳化硅粉末為原料，通過凝膠鑄造、直接發(fā)泡、定向冷凍和犧牲模板來制造。這些方法需要復(fù)雜的程序以及額外的添加劑，既昂貴又復(fù)雜。因此，通過簡單、廉價(jià)和環(huán)保的方法構(gòu)建多孔碳化硅材料引起了人們的極大興趣。專利1“cn116120097b”利用cvd技術(shù)在c/c復(fù)合材料表面制備sic納米線，然后利用低壓化學(xué)氣相沉積方法以甲烷為碳源，獲得sic納米線結(jié)構(gòu)以及sic納米線@碳納米相核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)。專利2“cn118084543b”利用一種含稀土鋯酸鹽/sic納米線復(fù)合涂層的c/c-uht?cs復(fù)合材料及其制備方法，采用雙層坩堝，將c/c-uhtcs復(fù)合材料放入內(nèi)層坩堝，將si粉放入外層坩堝，采用化氣相沉積法制備得到sic納米線的c/c-uht?cs復(fù)合材料。專利cn115246646a中涉及到一種利用可再生資源或廢棄物為碳源制備碳化硅納米線的方法，其包括下述步驟：

3、(1)蓬松化：將可再生資源或廢棄物通過蓬松化處理后得到蓬松均勻分布的預(yù)處理材料；

4、(2)碳化：將步驟(1)得到的蓬松均勻分布的預(yù)處理材料置于裂解爐中，抽真空排除氧后通入氮?dú)庵脸?，而后在高溫下裂解獲得蓬松均勻的碳材料；

5、(3)反應(yīng)物料鋪裝：將含碳二氧化硅干凝膠粉置于坩堝底部，然后將步驟(2)得到的蓬松均勻的碳材料放置于含碳二氧化硅干凝膠粉的上部，蓋上坩堝蓋；

6、(4)高溫碳熱還原：將坩堝置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，后抽真空沖入氮?dú)庵烈欢▔毫?，在高溫下反?yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻得灰綠色的碳化硅納米線產(chǎn)物；

7、(5)除殘余碳：將步驟(4)所得的產(chǎn)物置于馬弗爐內(nèi)加熱保溫，除去殘余的碳，獲得碳化硅納米線。該專利的高溫碳熱還原溫度為1500～1800℃，且用到了含碳二氧化硅干凝膠粉，導(dǎo)致其成本極高。

8、在本發(fā)明中，提出將廢棄農(nóng)林生物質(zhì)作為制備碳化硅的碳源，利用濕氧氧化后的工業(yè)硅粉作為硅源，通過化學(xué)氣相反應(yīng)在碳源上原位生成碳化硅納米線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種利用可再生資源回收制備碳化硅納米線的方法。本發(fā)明中的碳源是自然界中的廢棄生物質(zhì)，例如：咖啡殼、夏威夷果殼、花生殼、稻殼、水稻秸稈、煙草秸稈等，這些生物質(zhì)大多是農(nóng)林產(chǎn)品的副產(chǎn)品，這些材料大多被當(dāng)作廢物丟棄，這些廢棄的生物質(zhì)原料不僅具有較高的反應(yīng)活性，同時(shí)自身還是具有高度多孔的結(jié)構(gòu)，通過直接炭化后得到蓬松多孔的生物炭，非常適合作為生成碳化硅納米線的碳源。硅源是將工業(yè)硅粉末通過一定時(shí)間的濕氧氧化后形成的si/sio2混合物。然后采用較低溫度通過化學(xué)沉積法得到優(yōu)質(zhì)sic納米線。

2、一種利用可再生資源回收制備碳化硅納米線的方法，具體步驟如下：

3、(1)碳源預(yù)處理：將生物質(zhì)通過洗滌，干燥以除去污垢，再磨成粉末狀，得到預(yù)處理材料；

4、(2)碳化：將步驟(1)中得到的預(yù)處理材料置于通有保護(hù)氣體的爐內(nèi)進(jìn)行碳化，得到蓬松多孔的生物炭；

5、(3)硅源預(yù)處理：將一定量的硅粉末置于含水溶液中，反應(yīng)，得到具有si、硅氧化物的混合物，取出干燥，作為硅源，所述硅氧化中包含二氧化硅；

6、(4)高溫碳熱還原：將步驟(3)中獲得的硅源置于坩堝底部，在硅源上設(shè)置一個(gè)透氣的隔離層，在隔離層上設(shè)置步驟(2)獲得的蓬松多孔的生物炭；蓋上坩堝蓋后放入保護(hù)氣體并加熱，進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)冷卻后得到具有sic納米線的產(chǎn)物，反應(yīng)的溫度小于等于1500℃；

7、(5)退火處理：將步驟(4)中獲得的產(chǎn)物加熱，除去殘余的碳，余下的產(chǎn)物為sic納米線。

8、作為優(yōu)選，步驟(1)中，生物質(zhì)選自咖啡殼、夏威夷果殼、花生殼、稻殼、水稻秸稈、煙草秸稈中的至少一種。破碎后，顆粒過100目篩，取篩下物。

9、作為進(jìn)一步的優(yōu)選，步驟(1)中預(yù)處理材料的粒徑為50-100目。在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，可以通過振動磨得到的粒徑為50-100目的粉末。

10、作為優(yōu)選，步驟(2)中的保護(hù)氣體包括氮?dú)?、氬氣中的至少一種。

11、作為優(yōu)選，步驟(2)中保護(hù)氣體的流速為15～25ml/min，碳化溫度為500-800℃，升溫速率為8～12℃/min，保溫時(shí)間大于等于1h、進(jìn)一步優(yōu)選為大于等于2h。在保護(hù)氣氛下通氣碳化可以盡可能的制備出蓬松的多孔碳。

12、作為優(yōu)選，步驟(3)中所用的硅粉為工業(yè)硅粉，所述工業(yè)硅粉的純度＞99％，粒度為-100目。在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，按4-6g工業(yè)硅粉配入15～25ml水的比例，將一定量的工業(yè)硅粉末置于含水溶液中，在95-100℃反應(yīng)至少4小時(shí)，得到具有si、硅氧化物的混合物，取出干燥，作為硅源，所述硅氧化中包含二氧化硅。在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)，反應(yīng)時(shí)間可以為4-20h。本發(fā)明控制步驟(3)的反應(yīng)時(shí)間，主要是為了控制硅源中，零價(jià)硅和四價(jià)硅的相對含量。

13、作為優(yōu)選，步驟(4)中利用空心圓柱將碳源與硅源隔開，碳源與硅源的間距為5-30mm，空心圓柱的材質(zhì)為三氧化二鋁。

14、作為優(yōu)選，步驟(4)中按3-7g碳源配取5g硅源的比例配取碳源和硅源。在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，步驟(4)中控制碳源、硅源的比例是因?yàn)?，硅源太多會?dǎo)致在高溫下熔融硅混合物的透氣性低，生成的一氧化硅氣體無法順利被碳源吸收、此時(shí)碳源過量的話會在后期退火除炭階段造成浪費(fèi)碳源的問題。

15、作為優(yōu)選，步驟(4)的反應(yīng)溫度為：1200-1500℃、優(yōu)選為1200-1400℃，保溫時(shí)間為2-6h。在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，考慮到產(chǎn)物的直徑和產(chǎn)率，可以采用1200-1400℃進(jìn)行長時(shí)間的反應(yīng)。

16、作為優(yōu)選，將步驟(4)中獲得的產(chǎn)物直接置于馬弗爐中以8-12℃/min的升溫速率加熱到600～850℃后保溫1-3h，冷卻后得到最終的sic納米線產(chǎn)物。

17、反應(yīng)原理：

18、本發(fā)明硅源是由si、sio2組成的混合物，二者在高溫下會發(fā)生歧化反應(yīng)，生成大量的sio氣體，碳源在該環(huán)境下會與sio反應(yīng)產(chǎn)生co氣體與sic基底，隨后在冷卻階段，多余的sio氣體與co氣體就會在sic基底上通過化學(xué)氣相乘積生長出sic納米線。具體反應(yīng)機(jī)理如下：

19、sio2(s)+si(s)＝2sio(g)#(1)

20、sio(g)+2c(s)＝sic(s)+co(g)#(2)

21、sio(g)+3co(g)＝sic(s)+2co2(g)#(3)

22、本發(fā)明的有益效果是：

23、(1)本發(fā)明采用廢棄生物質(zhì)作為原料，原料成本低，工藝流程簡單快捷。通過粉化，炭化得到蓬松多孔的生物炭，為廢棄生物質(zhì)提供一種高值化再生利用的途徑。

24、(2)本發(fā)明中，工業(yè)硅粉末在低溫下進(jìn)行濕氧氧化，形成了具有較高化學(xué)活性的無定形sio2，這使得si、sio2組成的混合硅源在高溫下能夠更好的進(jìn)行反應(yīng)。

25、(3)本發(fā)明中，利用了簡單的化學(xué)沉積法制備碳化硅納米線，有利于減少碳排放，節(jié)約資源，具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。