[发明专利]一种氮化硅纳米无纺布及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅纳米线材料及其制备方法。

背景技术

氮化硅纳米纤维，即一维氮化硅纳米材料，作为一种特殊的氮化硅材料，具有优异的力学性能和半导体发光性能，已经成为研究的热点，有望在纳米元器件和复合材料增强领域得到应用。截至当前，有关氮化硅准一维纳米材料的制备也已多见报导。Yin等人利用氨气和一氧化硅为原料通过气固反应于1400℃得到了纯a相的氮化硅纳米带(L.W.Yin，Y.Bando，Y.C.Zhu，etal.Appl.Phys.Lett.，2004，83:3584)。Han等以CNTs为模板制备出氮化硅纳米棒(W.Han，S.Fan，Q.Li，etal.Appl.Phys.Lett.，1997,71:2271-2)。中国科学院固体物理研究所的张立德等利用碳热还原氮化法成功地制备了氮化硅纳米线（L.D.Zhang，G.W.Meng，F.PhilliPP.Mater.Sci.Eng.A，2000，286:34-38）。Kim等借助催化剂作用，在氨气等气氛下于Si基体上生长出氮化硅纳米线（H.Y.Kim，J.Park，H.Yang.Chem.Phys.Lett.，2003，372:269）。然而，现有的氮化硅纳米纤维在用作复合材料增强体使用时，容易出现混合不均匀、团聚等问题，致使增强的效果不佳甚至会造成复合材料的力学性能下降。这样，氮化硅纳米纤维自身的优异的力学性能就难以发挥出来。此外，当氮化硅纳米纤维用于纳米催化、过滤和光电子领域，需要将大量的纳米纤维固定成为一定的形状，而现有的氮化硅纳米纤维难以保持固定形状，从而限制了其应用。

当前，解决“纤维增强复合材料造成的分散不均匀和团聚问题”的一个行之有效的方法就是将纤维纺织成布或编织物，然后采用浸渍和烧结工艺可以得到力学性能优良的复合材料。例如，连续碳纤维可以被纺织成布或做成三位编织物，能够有效解决碳纤维在增强复合材料的使用过程中容易团聚、混合不均匀以及增强效果的各向异性等问题，而且“碳纤维布”让碳纤维的应用更广泛、更方便。与此同时，许多纤维材料也相继被制作成“无纺布”，让原本无法被纺织成布的短纤维也可以成为布状，在工业、国防和航天等领域得到了广泛应用。

为了充分利用氮化硅纳米纤维的优异性能，基于氮化硅纳米纤维的氮化硅纳米无纺布将成为必然的选择。首先，将大量氮化硅纳米纤维做成布状，有利于克服纳米纤维在使用过程中容易团聚、难以分散等实际困难，具有强大的市场需求；其次，现有的制备工艺无法获得连续的氮化硅纳米纤维，单根纳米纤维的长度最大仅能达到厘米量级，不能满足纺织要求。所以，氮化硅纳米无纺布将成为解决氮化硅纳米纤维使用中容易团聚和难以被纺织成布等问题的突破口，具有重要的科学价值和实用价值。但是，有关氮化硅纳米无纺布尚未见报道。

发明内容

本发明提供了一种氮化硅纳米无纺布及其制备方法，解决现有氮化硅纳米纤维在实际应用过程中易团聚、分散不均匀，以及现有氮化硅纤维难以被纺织成布的问题。

本发明的氮化硅纳米无纺布是由氮化硅纳米纤维自组装交叉叠加在一起形成，氮化硅纳米无纺布的厚度为0.5~20mm，其中，氮化硅纳米纤维为α-Si₃N₄的单晶相，单根氮化硅纳米纤维直径为30~300nm，长度达到0.1~60mm。

本发明的氮化硅纳米无纺布的制备方法是通过以下步骤实现的：

一、非晶态Si-B-O-C复合粉体的制备：a、按C和Si摩尔比为2~5:1的比例将蔗糖加入硅溶胶中，再加入硼酸，搅拌3~5h得复合溶胶，然后将复合溶胶在70~120℃的温度下放置60~84h得干凝胶粉，其中加入的硼酸与硅溶胶中硅元素的摩尔比为0.03~0.16:1；b、将a步骤得到的干凝胶粉置于管式炉内，然后以500~1000mL/min的速率通入惰性气体，然后再以8~12℃/s的升温速率加热到700~1000℃，保温0.5~2h，然后随炉冷却即得非晶态Si-B-O-C复合粉体，本步骤b过程中；

二、氮化硅纳米无纺布的制备：a、将步骤一得到的非晶态Si-B-O-C复合粉体放入坩埚底部，然后盖上坩埚盖，再将坩埚放入气氛烧结炉中，然后抽真空至气氛烧结内真空度低于1Pa；b、向气氛烧结炉内通入氮气至炉内气体压强为0.1~2MPa，然后气氛烧结炉以5～30℃/min的速率升温，升温到1200～1600℃，再保温烧结5～360min，随炉冷却至室温，即得氮化硅纳米无纺布。