[发明专利]一种氮化硅纳米纤维毡的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅纳米纤维毡的制备方法。

背景技术

氮化硅（Si₃N₄）纳米纤维是优良的半导体材料，是制备高温纳米装置和高性能复合材料的理想材料，具有非常好的应用前景。

目前，已经发展了多种氮化硅纳米纤维制备方法，包括二氧化硅碳热还原法、硅粉直接氮化法、燃烧合成法、有机硅化合物氨解法、化学气相沉积法、含硅聚合物的热分解法等。 

氮化硅纳米纤维虽然具有优异的物理化学性能，但是其容易团聚、难以进行编织，制约了其实际应用。基于多向纳米纤维排布而成的氮化硅纤维毡，可以为复合材料提供关键的增强材料。

CN101838886A于2010年09月22日公开了一种氮化硅纳米无纺布及其制备方法，该方法使用溶胶凝胶法制备非晶态Si-B-O-C复合粉体前驱体，进而在高温气氛烧结炉中氮化制备氮化硅纳米无纺布，但其工艺路线长，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种无需催化剂，工艺设备简单，成本低，适宜复杂形状和规模化生产的氮化硅纳米纤维毡的制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种氮化硅纳米纤维毡的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取所需形状的石墨板、石墨片或石墨纸为基板，用去离子水清洗，晾干或烘干，备用；

（2）将含Si-C键的聚合物和经步骤（1）处理的石墨基板放入反应炉内；

所述含Si-C键的聚合物可以是聚硅烷、聚碳硅烷或聚硅碳烷，其中优选聚碳硅烷；

（3）使用真空泵将反应炉内压力抽至100Pa以下（优选20Pa以下）；

（4）向反应炉中通氮气或氨气，至压力0.1-0.5MPa；

（5）向反应炉中通NH₃或NH₃与惰性气氛的混合气，控制流量在30L/h－400L/h（优选150/h－250L/h），升温至500－1400℃时（优选1000－1300℃），保温0.4－3小时（优选0.5－1小时）；

升温速度为100－350℃/h（优选180－300℃/h）； 

所述惰性气氛可为N₂、Ar或He（优选N₂）；

所述NH₃与惰性气氛的混合气中，优选NH₃体积浓度≥50%的混合气氛；

（6）停止通入NH₃或NH₃与惰性气氛的混合气，再改通氮气或密闭炉体，随炉冷却；

（7）当反应炉温度降到100℃以下时，取出石墨基板，即成。

本发明以聚硅烷、聚碳硅烷或聚硅碳烷以及掺杂这类含Si-C键的聚合物为原料，以NH₃或NH₃与N₂、Ar或He等的混合气为氮化气氛，NH₃与含Si-C键的聚合物分解释放的含硅小分子发生气相化学反应，生成硅氮烷，并生成小分子烷烃以消除游离碳，硅氮烷在石墨基板上沉积生长形成纳米氮化硅纤维，纳米氮化硅纤维自行铺展在石墨基板上，即形成氮化硅纳米纤维毡。所得纤维毡厚度一般为0.2-5mm，其中氮化硅纳米纤维的直径一般为50-200nm。

本发明通过控制NH₃的浓度、流量以及聚合物裂解温度程序、裂解反应时间等因素，可以获得大面积、复杂异形结构的纳米氮化硅纤维。

通过SEM、EDX、XRD分析表明，产物为氮化硅纳米纤维毡。

本发明采用成熟的工业产品为原料，普通的气氛保护烧结炉，不需要催化剂，不需要复杂昂贵的设备，工艺简单，易于控制，成本低，产量高，容易实现规模化生产。

附图说明

图1为实施例1所得纳米氮化硅纤维毡的典型的外观图；

图2为实施例1所得纳米氮化硅纤维的典型的SEM图；

图3为实施例1所得纳米氮化硅纤维的典型的EDX图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

（1）选取石墨纸为基板，用去离子水清洗，晾干，待用；

（2）将50克聚碳硅烷和经步骤（1）处理的石墨纸放入反应炉内；

（3）使用真空泵将反应炉内压力抽至50Pa；

（4）向反应炉中通氮气至压力0.2MPa；