專利名稱：一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法。
背景技術(shù)：
碳化硅材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)小和高熱傳導(dǎo)率等優(yōu)良性能，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械和石化等工程領(lǐng)域。同時(shí)，碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，具有較寬的能帶寬度、高臨界擊穿電壓、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，因此在高頻、大功率、高溫、抗輻射的半導(dǎo)體器件及紫外探測器和短波發(fā)光二極管等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。一維納米材料相比于體材料具有更優(yōu)越的性能。一維碳化硅材料由于量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，具有更優(yōu)異的發(fā)光性能，電學(xué)性能，場發(fā)射性質(zhì)和光催化效應(yīng)。除此之外，碳化硅一維納米材料在儲(chǔ)氫和原子力顯微鏡的探針等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景?；谔蓟枰陨纤龅男阅?，大量科研工作者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，無催化劑合成碳化硅納米針的報(bào)道很少。Renbing ffu, Yi Pan, Guangyi Yang, Mingxia Gao, Jing Lin 等人于 2007 年在 The Journal of Physical Chemistry C (物理化學(xué)雜志 C，2007，111，6233-6237)上發(fā)表了題為“Twinned SiC Zigzag Nanoneedles”(孿生之字形碳化硅納米針)的文章。文中采用硅碎片和多壁碳納米管作為原料，采用高溫管式爐進(jìn)行熱蒸發(fā)反應(yīng)，分別在1000攝氏度和1500攝氏度保溫30分鐘和 8個(gè)小時(shí)，制備出了具有針尖狀形態(tài)的碳化硅納米材料。該法制備時(shí)間較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種使用雙石墨管坩堝快速合成了具有針狀形態(tài)的碳化硅納米材料，即原料蒸發(fā)和納米針生長均使用高頻感應(yīng)線圈加熱石墨管來提供所需的溫度。本發(fā)明未使用任何催化劑，僅使用一氧化硅粉末和焦炭粉末作為原料，使用高頻感應(yīng)線圈作為快速加熱源，可在10分鐘內(nèi)完成蒸發(fā)到沉積的過程，制備完成后可在石墨管中填充的碳纖維絲上收集到大量附著的淺綠色物質(zhì)，表征分析表明為針狀碳化硅納米材料。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)—種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，以一氧化硅粉末和焦炭粉末作為原料， 使用中空石墨管作為裝料坩堝和發(fā)熱體，使用高頻感應(yīng)設(shè)備作為快速加熱源，使用裝有蓬松碳纖維絲的中空石墨管作為納米針的生長區(qū)域，不使用任何催化劑，反應(yīng)結(jié)束后得到附著有淺綠色物質(zhì)的碳纖維絲，淺綠色物質(zhì)即為碳化硅納米針，具體包括以下步驟(1)用天平稱取一氧化硅粉末和焦炭粉末，使用瑪瑙研缽將兩種粉體充分研磨混合；
(2)將混合物的粉體放入第一中空石墨管中，并將該石墨管置于石英管中，石英管處于高頻線圈的作用范圍內(nèi)；(3)將第二中空石墨管內(nèi)塞入碳纖維絲，并將第二中空石墨管放入石英管中，緊靠第一中空石墨管； (4)關(guān)閉石英管兩端的閥門，抽真空后充入氬氣，調(diào)節(jié)抽氣量和進(jìn)氣量，使石英管內(nèi)壓強(qiáng)維持穩(wěn)定；(5)開啟冷卻循環(huán)水，開啟高頻感應(yīng)設(shè)備電源，使混合物的溫度迅速升至1600攝氏度以上；(6)從石英管視窗可見大量煙霧從中空石墨管中噴出，繼續(xù)加熱直至煙霧消失；(7)關(guān)閉高頻感應(yīng)設(shè)備電源，自然冷卻至室溫，在碳纖維絲上可收集到淺綠色物質(zhì)，即為碳化硅納米針。步驟(1)中所述的一氧化硅粉末和焦炭粉末的摩爾比為1 1。本發(fā)明所需裝置及設(shè)備分為如下6個(gè)部分循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、高頻感應(yīng)電源及可通冷卻水的感應(yīng)線圈、耐高溫石英管、兩根尺寸不同的中空石墨管、氣路及氣路控制系統(tǒng)。其中耐高溫石英管的幾何尺寸為長1.4米，外徑80毫米，內(nèi)徑72毫米。其中兩根不同尺寸的中空石墨管的規(guī)格分別為第一中空石墨管為一端開放，一端封閉，尺寸為長 12厘米，內(nèi)徑22毫米，外徑30毫米；第二中空石墨管為兩端開放，尺寸為長12厘米，內(nèi)徑 32毫米，外徑40毫米。所述的碳纖維絲揉成蓬松狀，該碳纖維絲為生長基底，從第一中空石墨管中噴出的氣態(tài)物質(zhì)在碳纖維上附著反應(yīng)并生長成一維材料。步驟中所述的石英管內(nèi)壓強(qiáng)為40-60千帕。步驟(5)中混合物的溫度在2分鐘內(nèi)升到1600攝氏度以上。步驟(6)中繼續(xù)加熱的時(shí)間視放料多少而定，不超過5分鐘。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明沒有使用任何催化劑，僅使用高頻感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行加熱，能使混合粉體在極短時(shí)間內(nèi)升到較高溫度，第一中空石墨管中的一氧化硅粉末和焦炭粉末在高溫下能夠迅速發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體噴出，從第一中空石墨管到達(dá)第二中空石墨管， 該石墨管同樣為高頻感應(yīng)加熱，內(nèi)部具有較高溫度，并且填充的蓬松碳纖維絲可以起到類似于基底的作用。當(dāng)?shù)诙锌帐軆?nèi)的氣氛適合時(shí)，大量碳化硅納米針可以在碳纖維絲上附著生長。所得的碳化硅納米材料具有明顯的針尖狀結(jié)構(gòu)，直徑在50-100納米之間，截面具有正六邊形結(jié)構(gòu)。


圖1為針尖狀碳化硅納米材料的掃描電子顯微鏡照片；圖2為針尖狀碳化硅納米材料的掃描電子顯微鏡照片；圖3為針尖狀碳化硅納米材料的透射電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1
用天平稱取一氧化硅粉末11克，稱取焦炭粉末3克，使用瑪瑙研缽研磨30分鐘， 保證兩種粉體充分混合均勻；將研磨好的混合粉體放入第一中空石墨管中，石墨管置于石英管中，并處于高頻線圈的作用范圍內(nèi)，放置石墨管前需用高溫隔熱材料將石墨管與石英管隔開，以防止石英管在高溫下被燒壞；將第二中空石墨管內(nèi)塞入適量碳纖維絲，將第二中空石墨管放入石英管中，并緊靠第一中空石墨管，同樣地需用高溫絕熱材料將第二中空石墨管和石英管隔開；關(guān)閉石英管兩端的閥門，抽真空，待真空度達(dá)到一定程度，充入適量氬氣，調(diào)節(jié)抽氣量和進(jìn)氣量，使石英管內(nèi)壓強(qiáng)維持穩(wěn)定在40-60千帕之間；開啟冷卻循環(huán)水， 開啟高頻感應(yīng)設(shè)備電源，使混合物溫度迅速升至1600攝氏度以上，使用高頻感應(yīng)加熱只需 2分鐘左右；從石英管視窗可見大量煙霧從中空石墨管中噴出，繼續(xù)加熱直至煙霧消失 ’關(guān)閉高頻感應(yīng)設(shè)備電源，自然冷卻至室溫，在碳纖維絲上可得到淺綠色物質(zhì)，即為碳化硅納米針，其掃描電子顯微鏡照片如圖1-2所示，透射電子顯微鏡照片如圖3所示。實(shí)施例2一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，以一氧化硅粉末和焦炭粉末作為原料， 使用中空石墨管作為裝料坩堝和發(fā)熱體，使用高頻感應(yīng)設(shè)備作為快速加熱源，使用裝有蓬松碳纖維絲的中空石墨管作為納米針的生長區(qū)域，不使用任何催化劑，反應(yīng)結(jié)束后得到附著有淺綠色物質(zhì)的碳纖維絲，淺綠色物質(zhì)即為碳化硅納米針，具體包括以下步驟(1)用天平稱取一氧化硅粉末和焦炭粉末，一氧化硅粉末和焦炭粉末的摩爾比為 1 1，使用瑪瑙研缽將兩種粉體充分研磨混合；(2)將混合物的粉體放入第一中空石墨管中，并將該石墨管置于石英管中，石英管處于高頻線圈的作用范圍內(nèi)；(3)將第二中空石墨管內(nèi)塞入碳纖維絲，并將第二中空石墨管放入石英管中，緊靠第一中空石墨管，碳纖維絲揉成蓬松狀，該碳纖維絲為生長基底，從第一中空石墨管中噴出的氣態(tài)物質(zhì)在碳纖維上附著反應(yīng)并生長成一維材料；(4)關(guān)閉石英管兩端的閥門，抽真空后充入氬氣，調(diào)節(jié)抽氣量和進(jìn)氣量，使石英管內(nèi)壓強(qiáng)維持穩(wěn)定在40-60千帕，本實(shí)施例中壓強(qiáng)為50千帕；(5)開啟冷卻循環(huán)水，開啟高頻感應(yīng)設(shè)備電源，使混合物的溫度在2分鐘之內(nèi)迅速升至1600攝氏度以上；(6)從石英管視窗可見大量煙霧從中空石墨管中噴出，視放料多少而定，繼續(xù)加熱不超過5分鐘直至煙霧消失，本申請(qǐng)中繼續(xù)加熱的時(shí)間為2分鐘；(7)關(guān)閉高頻感應(yīng)設(shè)備電源，自然冷卻至室溫，在碳纖維絲上可收集到淺綠色物質(zhì)，即為碳化硅納米針。本發(fā)明所需裝置及設(shè)備分為如下6個(gè)部分循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、高頻感應(yīng)電源及可通冷卻水的感應(yīng)線圈、耐高溫石英管、兩根尺寸不同的中空石墨管、氣路及氣路控制系統(tǒng)。其中耐高溫石英管的幾何尺寸為長1.4米，外徑80毫米，內(nèi)徑72毫米。其中兩根不同尺寸的中空石墨管的規(guī)格分別為第一中空石墨管為一端開放，一端封閉，尺寸為長 12厘米，內(nèi)徑22毫米，外徑30毫米；第二中空石墨管為兩端開放，尺寸為長12厘米，內(nèi)徑 32毫米，外徑40毫米。
權(quán)利要求
1.一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，該方法以一氧化硅粉末和焦炭粉末作為原料，使用中空石墨管作為裝料坩堝和發(fā)熱體，高頻感應(yīng)設(shè)備作為快速加熱源， 裝有蓬松碳纖維絲的中空石墨管作為納米針的生長區(qū)域，反應(yīng)結(jié)束后得到附著有淺綠色物質(zhì)的碳纖維絲，淺綠色物質(zhì)即為碳化硅納米針。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟(1)用天平稱取一氧化硅粉末和焦炭粉末，使用瑪瑙研缽將兩種粉體充分研磨混合；(2)將混合物的粉體放入第一中空石墨管中，并將該石墨管置于石英管中，石英管處于高頻線圈的作用范圍內(nèi)；(3)將第二中空石墨管內(nèi)塞入碳纖維絲，并將第二中空石墨管緊靠第一中空石墨管放入石英管中；(4)關(guān)閉石英管兩端的閥門，抽真空后充入氬氣，調(diào)節(jié)抽氣量和進(jìn)氣量，使石英管內(nèi)壓強(qiáng)維持穩(wěn)定；(5)開啟冷卻循環(huán)水，開啟高頻感應(yīng)設(shè)備電源，使混合物的溫度迅速升至1600攝氏度以上；(6)從石英管視窗可見大量煙霧從中空石墨管中噴出，繼續(xù)加熱直至煙霧消失；(7)關(guān)閉高頻感應(yīng)設(shè)備電源，自然冷卻至室溫，在碳纖維絲上可收集到淺綠色物質(zhì)，即為碳化硅納米針。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，步驟 (1)中所述的一氧化硅粉末和焦炭粉末的摩爾比為1 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，所述的石英管的幾何尺寸為長1.4米，外徑80毫米，內(nèi)徑72毫米；第一中空石墨管為一端開放， 一端封閉，尺寸為長12厘米，內(nèi)徑22毫米，外徑30毫米；第二中空石墨管為兩端開放，尺寸為長12厘米，內(nèi)徑32毫米，外徑40毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，所述的碳纖維絲揉成蓬松狀，該碳纖維絲為生長基底，從第一中空石墨管中噴出的氣態(tài)物質(zhì)在碳纖維上附著反應(yīng)并生長成一維材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的石英管內(nèi)壓強(qiáng)為40-60千帕。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，步驟(5)中混合物的溫度在2分鐘內(nèi)升到1600攝氏度以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，步驟(6)中繼續(xù)加熱的時(shí)間視放料多少而定，不超過5分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，其特征在于，該方法所需裝置包括6個(gè)部分循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、高頻感應(yīng)電源及可通冷卻水的感應(yīng)線圈、耐高溫石英管、兩根尺寸不同的中空石墨管、氣路及氣路控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無催化劑合成碳化硅納米針的方法，用雙石墨管坩堝快速合成了具有針尖狀的碳化硅納米材料，即原料蒸發(fā)和納米針生長均使用高頻感應(yīng)線圈加熱石墨管來提供所需的溫度。本發(fā)明未使用任何催化劑，僅使用一氧化硅粉末和焦炭粉末作為原料，使用高頻感應(yīng)線圈作為快速加熱源，可在10分鐘內(nèi)完成蒸發(fā)到沉積的過程，制備完成后可在石墨管中填充的碳纖維絲上收集到大量附著的淺綠色物質(zhì)，表征分析表明為針狀碳化硅納米材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種無催化劑，快速制備針狀碳化硅納米材料的方法。
文檔編號(hào)C01B31/36GK102432012SQ201110298578
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者張亞非, 李海蓉, 楊志, 錢炳建, 魏浩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)