[发明专利]纤维状纳米碳化硅的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硅的化合物的制备，涉及一种纤维状纳米碳化硅的制备方法。 本发明制备的纤维状纳米碳化硅（SiC）具有大于3000MPa的抗拉强度、高于400GPa的抗拉弹性模量，具有很好的高温抗氧化性能、抗化学腐蚀性、抗热震性和耐磨性能，尤其是在3000℃的超高温领域仍显示出、良好的力学性能；可广泛应用于航天飞机的鼻锥、飞机和赛车的制动、火箭喷嘴、卫星天线、导弹等高技术装备中，在纳米微系统也具有广泛的用途。 

背景技术

自从1991年Iijima S发现碳纳米管以来，纤维状一维纳米材料引起了广泛关注。一维纳米材料如纳米纤维、纳米线、纳米管、纳米棒具有特殊性能，它为实现微系统器件的微型化和功能化创造了条件，已广泛应用于磁性、光电、光学、电子和催化等材料。 

现有技术中，一维制备碳化硅（SiC）的方法主要有：化学气相沉积法、溶胶-凝胶碳热还原法、硅卤化物和CCl₄ 、CCl₃SiCl₄ 的氢化、在1700℃下SiO和C反应等方法。例如：①在文献Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19(5): 1146-1150中报道了用催化化学气相沉积（CCVD）在碳纤维的表面原位沉积碳化硅纤维。CVD法制备碳化硅纤维采用钨丝或碳纤维细丝等芯线，使有机硅等在氮气流中，在灼热的芯线表面进行反应，因为有芯线，所以是一种复合纤维，而且其成品的直径较粗。由于生产效率低，生产成本高，极大的限制了CVD法的应用。②文献Materials Chemistry and Physics, 2009, 118(1): 259-263中报道了一种通过渗透和热解聚烯丙羟基碳硅烷（AHPCS）到阳极氧化铝模板制得多孔纳米碳化硅纤维。先驱体法制备连续的SiC纤维分为有机先驱体合成、熔融纺丝、原纤维不熔化处理和高温热分解四个步骤，工序多，操作比较困难、繁琐。③文献Materials Chemistry and Physics, 2012, 134(1): 13-15中报道了在1425℃下，在25%的H₂/Ar气氛下通过剥离含有二氧化硅纳米粒子的石墨制成β–SiC纳米纤维，其形貌呈层状的，其采用的是碳热还原法而没有使用金属催化剂Fe、Pt。④公开号CN 103145129 A公开了通过硅凝胶、葡萄糖、尿素、硝酸、聚丙烯酰胺（PAM）等原料制备前驱体，通过碳热还原前驱体得到碳化硅纳米纤维；⑤公开号CN 101850972 A公开了把硝酸盐溶解于乙醇或水中，然后向溶液中加入以正硅酸乙酯或水玻璃为硅源的物质，再向棉花浸渍其中，将棉花取出后，在60～110℃条件下干燥5～30h，得到碳化硅前驱体；将碳化硅前驱体在氩气的保护下，升温至1100～1400℃进行碳热还原反应3～20h，反应冷却至室温，得到初级反应产物；将初级产物在空气中加热到600～800℃，灼烧1～5h，除去未反应的碳；再酸洗、洗涤、过滤、烘干、最终得到碳化硅纳米线。⑥公开号CN 101786622 A公开了将酚醛树脂加入工业水玻璃中，制得碳硅二元凝胶；制得的凝胶在60～110℃下，干燥5～30h；将干凝胶在氩气的保护下，升温至1100～1400℃进行碳热还原反应3～20h，反应冷却至室温，得到初级反应产物；在600～800℃下焙烧1～5h，除去未反应的碳；再酸洗、洗涤、过滤、烘干、最终得到碳化硅纳米线。但是，现有技术制备碳化硅的方法中普遍存在生产工艺复杂、成本高、产率低且易造成环境污染等缺点。 

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种纤维状纳米碳化硅的制备方法。本发明以碳源和主要化学成分为二氧化硅（SiO₂）的纤维蛇纹石为原材料，在自蔓延反应装置或管式气氛炉中通过碳热还原反应获得高纯纤维状纳米碳化硅（SiC），原料易得、设备与工艺简单、环境友好且纤维状纳米碳化硅产率高；制备的纤维状纳米碳化硅（SiC）具有大于3000MPa的抗拉强度、高于400GPa的抗拉弹性模量，具有很好的高温抗氧化性能、抗化学腐蚀性、抗热震性和耐磨性能，尤其是在3000℃的超高温领域仍显示出、良好的力学性能；可广泛应用于航天飞机的鼻锥、飞机和赛车的制动、火箭喷嘴、卫星天线、导弹等高技术装备中，在纳米微系统也具有广泛的用途。 

本发明的内容是：一种纤维状纳米碳化硅的制备方法，其特征是包括下列步骤：