專利名稱：發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅納米線的制備方法，尤其是可大量制備立方相碳化硅納米線的制備方法，該方法關鍵在于利用無機硅源和碳源，用較簡單經濟的工藝，批量制備立方相碳化硅納米線。這些納米線的直徑在100 nm以下，長度為幾十微米。在紫外光激發(fā)下，這些納米線有較強藍光發(fā)射。
背景技術：
碳化硅是第三代半導體材料的典型代表，立方相碳化硅(3C_SiC)納米線具有一系列優(yōu)于碳化硅體材料或碳化硅體材料不具備的特殊性能。如碳化硅納米線的熱、化學穩(wěn) 定性優(yōu)良，可用于極端環(huán)境中；楊氏模量高于600 GPa，表明其可作為一種理想的增強增韌添加劑材料；納米線在紫外到藍光范圍內有較好的光發(fā)射，這表明其可應用于光電領域；此外，3C-SiC納米線還有一些極特殊的性能，如優(yōu)良的光催化性能，優(yōu)異的場致發(fā)射性能，良好的生物兼容性，高儲氫能力，理想的隧道顯微鏡針尖材料，催化劑載體材料等。碳化硅納米線這一系列優(yōu)異性能，使之在信息技術、能源、環(huán)境、材料和生物技術等各個領域具有極廣泛的應用前景。目前還缺少一種簡單安全、能大批量制備形貌尺寸都均一可控的立方相碳化硅納米線生產工藝。根據(jù)現(xiàn)有的報道，已有一些物理化學方法，包括物理蒸發(fā)法，化學氣相沉積法，碳熱還原法，碳納米管模板法，電弧放電法，水熱法，激光燒蝕法等用于制備碳化硅納米線，但是這些方法還不能被大規(guī)模的工業(yè)生產所采用。這主要是因為這些方法常常需要一些非?？量痰膶嶒灄l件，如高制備溫度(最高達1700 ° C)，高真空(以防碳源或硅源高溫下氧化)，水熱法所必需的高壓等。一些有毒、易燃易爆的有機物有時被用來提供硅源或碳源，有些反應物的價格昂貴，如碳納米管。大多制備方法生成物的量有限，且工藝過程復雜，這些都會限制碳化硅納米線的實際應用。所以現(xiàn)在碳化硅納米線的實際應用領域一個急需解決的問題，就是是尋找一個安全、廉價，并且可以批量生產的制備工藝。因此，本發(fā)明提出了一種簡單安全、可大批量制備立方相碳化硅納米線工藝技術。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有制備碳化硅納米線工藝的缺陷，提供一種可以較大批量，工藝過程安全、簡單、經濟的碳化硅納米線的制備技術。該技術方案以一氧化硅(SiO)和活性碳粉末為原料，在氬氣保護、無真空的環(huán)境下，高溫反應生成直徑100 nm以下，長度為幾十微米以上的立方相碳化硅納米線。這些納米線具有強藍光發(fā)射。本發(fā)明目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的，發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法，其特征是，包括以下步驟
(I)粉碎一氧化娃粉末將市售分析純一氧化娃粉末與瑪瑙球(作為球磨媒介)一起加入聚氟乙烯罐中，瑪瑙球與一氧化硅粉末的重量比約為10-15:1，再在其中加入無水乙醇浸沒瑪瑙球與一氧化硅粉末，然后密封，用行星式球磨機球磨12-24小時，轉速為每分鐘300-400轉；球磨后的糊狀物在60-80 °C，減壓條件下干燥，得到尺度為幾百納米的納米一氧化硅粉末；
(2)高溫反應生成立方相碳化硅納米線將經過球磨后的納米一氧化硅粉末與活性碳粉末，分置于一個長型氧化鋁舟的兩端，納米一氧化硅粉末與活性碳粉末的摩爾比為1:2-3，一氧化硅粉末與活性碳粉末疏松地平鋪于氧化鋁舟中，中間間隔O. 9-1. I cm，然后在平鋪有一氧化硅粉末與活性碳粉末的氧化鋁舟上面對面蓋上一個規(guī)格相同的氧化鋁舟，將其放在一個氧化鋁管中，并一起置于一水平管式爐中，在2小時之內將管式爐分次加熱至1200-1300 °C，保溫2-4小時后關閉管式爐電源，自然降溫至室溫；在管式爐加熱之前，往氧化鋁管中通入純度為99%的氬氣，流量為每分鐘500立方厘米，時間為20分鐘，以排除管道中的空氣；開始加熱后，氬氣的流量降到每分鐘40立方厘 米，直至管式爐降溫至室溫，制得立方相碳化硅納米線混合物；
(3)立方相碳化硅納米線的純化在制得立方相碳化硅納米線混合物中收集高溫反應后的活性碳粉末堆，去除反應后剩余的活性碳粉末，將活性碳粉末堆在空氣中加熱至為600-700 °C，保溫2-3小時，即得到立方相碳化硅納米線，該立方相碳化硅納米線在紫外光激發(fā)下，有較強的藍光發(fā)射。本發(fā)明工藝方法合理、簡單、先進，所用原料為一氧化硅和活性碳粉末，均為無機原料，與有機硅、碳源相比，具有高溫下不易燃易爆，制備過程中無污染，價格相對低廉等優(yōu)點。反應過程中以氬氣保護，而非真空排除空氣以防原料氧化。制備過程中不使用真空設備，這樣簡化了工藝設備與制備過程。制備溫度在1300 °C以下，不再需要價格較為昂貴的硅鑰棒加熱爐，只需一般硅碳棒加熱爐就能制備碳化硅納米線。本發(fā)明的立方相碳化硅納米線的制備技術，安全經濟，工藝設備與制備過程都較簡單，并可一次制備較大批量的產品。經過X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡測試，證實產品為單一的立方相碳化硅納米線，納米線的直徑在100 nm以下，長度在幾十微米以上。經過光致發(fā)光譜的測試表明，納米線在紫外光的激發(fā)下，在波長為416和439 nm處有兩個較強的藍光發(fā)光峰，表明本工藝制備的立方相碳化硅不僅可用于材料的增強增韌添加劑，而且可用于下一代的光電材料。


圖I為本發(fā)明制得的發(fā)光立方相碳化硅納米線的X射線衍射說 圖2為本發(fā)明制得的發(fā)光立方相碳化硅納米線的掃描電子顯微照片。
具體實施例方式本發(fā)明涉及的原料一氧化硅為分析純，活性碳為化學純，保護氣體氬氣的純度為99%，無水乙醇為分析純，都是市場上可購的。稱取一定量的一氧化硅粉末，按一氧化硅與瑪瑙球的重量比1:10-15加入到聚氟乙烯球磨罐中，瑪瑙球的直徑在5 mm到15 mm之間，加入適量的無水乙醇(加入量為基本浸沒瑪瑙球與一氧化硅粉末，保護一氧化硅粉末在球磨過程不被空氣氧化。)后密封，用行星式球磨機球磨12-24小時，球磨機的轉速為每分鐘300-400轉。球磨結束后，將得到的糊狀物在60-80 ° C減壓條件下干燥，得到納米一氧化硅粉末。按摩爾比為1:2-3稱取球磨后納米一氧化硅粉末與活性碳粉末，疏松地平鋪于氧化鋁舟的兩端，中間間隔I. O Cm左右，在該氧化鋁舟上面對面蓋上一個規(guī)格相同的氧化鋁舟。在水平管式爐中放一氧化鋁管，將氧化鋁舟放在這個氧化鋁管中，并位于管式爐的中間位置。向氧化鋁管中通高純氬氣20分鐘，流量為每分鐘500立方厘米左右，以排除管道中的空氣，然后將氬氣流量降至每分鐘40立方厘米左右，開啟管式爐電源，在2小時之內將管式爐加熱至1200-1300 °C，保溫2-4小時后關閉管式爐電源，讓其自然冷卻至室溫。收集高溫反應后的活性碳粉末堆，去除反應剩余的活性碳粉末，將其在空氣中，600-700 °C加熱2-3小時，即可得到高純立方相碳化硅納米線。對樣品進行測試，得到圖I、圖2等。由圖I我們可以看出，使用本發(fā)明所制備的樣品的X射線衍射譜圖與標準立方相碳化硅的X射線衍射峰位一致，沒有其它雜相，表明用本發(fā)明的技術制備的產品為高純立方相碳化硅。圖2為用本發(fā)明技術制備的立方相碳化硅納米線的掃描電鏡照片，從圖中可以看出，產品為納米線，沒有顆粒等其它結構，絕大多數(shù)納 米線的直徑在100 nm以下，納米線的長度在幾十微米以上。單根納米線的直徑均一，表面光滑。通過透射電子顯微鏡的觀測，進一步表明納米線為高純立方相碳化硅，每一根納米線具有均一的直徑，光滑的表面。對產品進行的光致發(fā)光譜測量表明，在波長為360 nm的紫外光的照射下，納米線有較強的藍光發(fā)射，在波長為波長為416和439 nm處有兩個較強的藍光發(fā)光峰。這些測試表明本發(fā)明工藝制備的立方相碳化硅，純度高，直徑均一，長度長，不僅可用于材料的增強增韌添加劑，而且可用于下一代的光電材料。
權利要求
1.一種發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法，其特征是，包括以下步驟 (1)粉碎一氧化硅粉末將市售分析純一氧化硅粉末與瑪瑙球一起加入聚氟乙烯罐中，瑪瑙球與一氧化硅粉末的重量比約為10-15:1，再在其中加入無水乙醇浸沒瑪瑙球與一氧化硅粉末，然后密封，用行星式球磨機球磨12-24小時，轉速為每分鐘300-400轉；球磨后的糊狀物在60-80 ° C， 減壓條件下干燥，得到尺度為幾百納米的納米一氧化硅粉末； (2)高溫反應生成立方相碳化硅納米線將經過球磨后的納米一氧化硅粉末與活性碳粉末，分置于一個長型氧化鋁舟的兩端，納米一氧化硅粉末與活性碳粉末的摩爾比為1:2-3，一氧化硅粉末與活性碳粉末疏松地平鋪于氧化鋁舟中，中間間隔O. 9-1. I cm，然后在平鋪有一氧化硅粉末與活性碳粉末的氧化鋁舟上面對面蓋上一個規(guī)格相同的氧化鋁舟，將其放在一個氧化鋁管中，并一起置于一水平管式爐中，在2小時之內將管式爐分次加熱至1200-1300 °C，保溫2-4小時后關閉管式爐電源，自然降溫至室溫；在管式爐加熱之前，往氧化鋁管中通入純度為99%的氬氣，流量為每分鐘500立方厘米，時間為20分鐘，以排除管道中的空氣；開始加熱后，氬氣的流量降到每分鐘40立方厘米，直至管式爐降溫至室溫，制得立方相碳化硅納米線混合物； (3)立方相碳化硅納米線的純化在制得立方相碳化硅納米線混合物中收集高溫反應后的活性碳粉末堆，去除反應后剩余的活性碳粉末，將活性碳粉末堆在空氣中加熱至為600-700 °C，保溫2-3小時，即得到立方相碳化硅納米線，該立方相碳化硅納米線在紫外光激發(fā)下，有較強的藍光發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可批量制備發(fā)光立方相碳化硅納米線的制備方法。該技術先將一氧化硅粉末經球磨減小粒徑，再與活性炭粉末置于一氧化鋁舟的兩端，在其上蓋一同規(guī)格氧化鋁舟后放入管式爐中反應。反應前向氧化鋁管中以每分鐘500立方厘米的流量通氬氣20分鐘，將流量降至每分鐘40立方厘米后加熱管式爐至1200-1300oC，保溫2-4小時后關閉管式爐電源，讓其自然冷卻。收集反應后的活性炭粉末堆，并在空氣中以600-700oC加熱2-3小時，即可得到高純立方相碳化硅納米線。本發(fā)明工藝過程簡單安全，可批量制備，產品純度高，直徑均一，長度長，有較強藍發(fā)射，不僅可用于材料的增強增韌添加劑，而且可用于下一代的光電材料。
文檔編號C01B31/36GK102616782SQ20121010821
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者吳悅迪, 朱駿, 陳小兵, 陳海濤 申請人:揚州大學