專利名稱：一種制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法。它屬于碳化硅納米級材料制造技術(shù)。
碳化硅晶須/纖維(SiCw/SiCf)具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航天航空、國防和民用工業(yè)中；在化學(xué)工業(yè)中，它即可用做催化劑，又可作為催化劑的載體。
目前有關(guān)制造納米級碳化硅晶須/纖維技術(shù)的報(bào)道，在文獻(xiàn)(J.Amer.CeramicSoc.，1997，80(5)，1274-1276)中指出，采用SiO2、酚醛樹脂、炭黑的超細(xì)粉，使用微波加熱并在600℃條件進(jìn)行合成；在文獻(xiàn)(Chin.Phys.Lett.1998，15(9)，689-691)中指出，采用SiCl4、活性碳，在鐵催化劑作用下，于1200℃合成。
現(xiàn)有的上述合成方法，前者采用酚醛樹脂為原料，這不僅提高了制造成本，而且造成對環(huán)境的污染。后者是在較高溫度下進(jìn)行合成，能耗較高。
本發(fā)明的目的，在于提供一種制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法。該方法具有采用的原料對環(huán)境無污染，制造成本低，節(jié)能的特點(diǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。以SiO2和烷烴氣為原料，金屬納米粉末為還原劑及氣體為助還原劑，在過渡金屬催化劑的作用下，并依次經(jīng)過SiO2的氧化還原反應(yīng)，原料氣的分解反應(yīng)，Si與C的合成反應(yīng)過程制備成納米級碳化硅晶須/纖維，其特征在于，原料氣采用CH4；氧化還原反應(yīng)采用Mg、或者Ca、或者Na、或者K的納米粉末為還原劑，以H2為助還原劑；原料氣的分解反應(yīng)，采用Co、或者Ni、或者它們的混合物為催化劑，反應(yīng)的壓力為0.1-5MPa；Si與C的合成反應(yīng)溫度在600-900℃。
上述的分解反應(yīng)最佳反應(yīng)壓力為1-3MPa。
上述的合成反應(yīng)最佳反應(yīng)溫度為700-800℃。
下面對本發(fā)明作以詳細(xì)說明。
本發(fā)明的反應(yīng)過程的表達(dá)式如下M*為第I、第II主族金屬納米粉末。
在上述的反應(yīng)中，有著諸多因素影響其硅底物的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物收率。實(shí)驗(yàn)證明，增大H2的流量，有利于提高SiCw/SiCf的形成、生長和完善及提高硅底物的轉(zhuǎn)化率；實(shí)驗(yàn)也證明了，適當(dāng)增加還原劑與硅底物之比，以及提高反應(yīng)溫度、延長反應(yīng)時(shí)間、采用不同組分的催化劑，對提高產(chǎn)物的收率和改善形貌均有影響。
本發(fā)明的產(chǎn)物可通過透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、紅外(IR)、X光電子能譜(XPS)、能量損失譜(EDS)進(jìn)行檢測加以確認(rèn)，并可對其Si、C等元素作定量分析。本發(fā)明的產(chǎn)物SiCw/SiCf直徑分布在10-80nm，長度為微米級。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，它的特點(diǎn)在于采用的原料對環(huán)境無污染，反應(yīng)溫度相對較低，制造成本低，節(jié)能，產(chǎn)物性能較好。
下面再以實(shí)施例和對比例對本發(fā)明加以進(jìn)一步說明。實(shí)施例一SiO2取0.2g與納米Mg粉按1∶1混合均勻，加入適量Ni催化劑；將混合物轉(zhuǎn)移入石英反應(yīng)管，用N2吹掃5分鐘，再用CH4吹掃15分鐘，電爐加熱至800℃，在CH4∶H2為100∶50ml/min的條件常壓操作，反應(yīng)2小時(shí)，產(chǎn)物收率為33％。實(shí)施例二與實(shí)施例一其他條件和步驟相同，改變CH4∶H2為50∶100ml/min，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)，產(chǎn)物收率為40％。實(shí)施例三與實(shí)施例一其他條件和步驟相同，改變SiO2∶Mg為1∶2時(shí)，產(chǎn)物收率為54％。實(shí)施例四與實(shí)施例一其他條件和步驟相同，改變SiO2∶Mg為1∶3時(shí)，產(chǎn)物收率為49％。對比例一將SiO2粉末放入石英反應(yīng)管，用電爐加熱至800℃，通入CH4為2小時(shí)，沒有發(fā)生反應(yīng)。對比例二按實(shí)施例一的條件與步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)CH4∶H2為100∶0時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物為納米級的顆粒狀碳化硅，而不是晶須，也不是纖維狀碳化硅。
權(quán)利要求
1.一種制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法，它是以SiO2和烷烴氣為原料，金屬納米粉末為還原劑及氣體為助還原劑，在過渡金屬催化劑的作用下，并依次經(jīng)過SiO2的氧化還原反應(yīng)，原料氣的分解反應(yīng)，Si與C的合成反應(yīng)過程制備成納米級碳化硅晶須/纖維，其特征是原料氣采用CH4；氧化還原反應(yīng)采用Mg、或者Ca、或者Na、或者K的納米粉末為還原劑，以H2為助還原劑；原料氣的分解反應(yīng)，采用Co、或者Ni、或者它們的混合物為催化劑，反應(yīng)壓力為0.1-5MPa；Si與C的合成反應(yīng)溫度在600-900℃。
2.按權(quán)利要求1所述的制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法，其特征在于分解反應(yīng)的最佳反應(yīng)壓力為1-3MPa。
3.按權(quán)利要求1所述的制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法，其特征在于合成反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度為700-800℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備納米級碳化硅晶須/纖維的方法。該方法是以SiO
文檔編號C30B29/36GK1257944SQ99126280
公開日2000年6月28日 申請日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月22日
發(fā)明者崔屾, 喬亞莉, 崔蘭, 呂成章 申請人:天津大學(xué)