[发明专利]一种珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

自从1991年Iijima发现碳纳米管以来，纳米材料由于其在物理和电子器件中的应用引起了人们的广泛关注。纳米材料因其特殊的物理效应如表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应、库伦阻塞效应等具有不同于块体材料的物理化学性质，广泛应用于化工、微电子器件、精细陶瓷、冶金、军事、核工业以及医学或生物工程等诸多领域。在纳米材料科学的研究中，纳米材料的制备占据着极为重要的地位，对纳米材料的微观结构、性能和应用具有重要的影响。近些年，合成具有可控形貌的纳米结构，促进电子器件的微型化和多功能化，已成为人们的研究重点。

纳米SiO₂具有独特的物理各项异性和光电性能各向异性，且生物相容性好，物理和化学稳定性高，比表面积大，载药量可控，可以装载各种药物、蛋白、基因等，作为药物传递载体在国内外受到普遍关注。目前合成SiO₂纳米结构的主要方法有：高温碳热还原SiO₂粉末、热蒸发法、激光烧蚀法、化学气相沉积等，合成得到的结构有团簇状、螺旋状、灯笼状等SiO₂纳米线、纳米球、纳米棒等。

珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构是纳/微米枝状结构通过相互交联叠加形成的，枝杈间为空洞，孔隙率高、吸附能力强，可以装载各种药物、蛋白、基因等，装载量大。同时，由于组成当代大规模集成电路的基本器件一般具有3个或3个以上的电极，由于其呈枝状的结构特点，将在各种电子元器件领域有广泛的应用前景。此外，这种结构还是一种很好的增强增韧材料，可以作为陶瓷基、金属基、聚合物基纳米复合材料的增强成分从而提高基质材料的力学性能。目前还未见对珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构的报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构的制备方法，该方法通过热解高硅含量的有机聚合物前驱体制备得到高纯度的珊瑚状分枝多孔二氧化硅非晶纳/微米结构。该方法具有沉积条件严格可控、工艺和设备简单、成本低廉，所得纳/微米结构产量大、纯度高、枝杈丰富交联成珊瑚状、孔隙率高、比表面积大、吸附能力强等优点。

本发明提出的珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构的制备方法，其特征在于，所述方法采用催化剂辅助热解有机前驱体的方法合成珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构，包括以下步骤：

(1)高硅含量的聚硅氮烷，在高纯氮气、氩气或者氨气气氛下，在180-360℃下经催化或者无催化热交联固化0.5-2小时，得到半透明的Si-C-N非晶固体；

(2)将该半透明的Si-C-N非晶固体在玛瑙容器中捣碎，然后和高耐磨氧化锆磨球混合，在聚氨酯球磨罐中，在高能球磨机上研磨4-24小时，得到颗粒直径小于0.2μm的粉末，然后再将催化剂干粉投入到磨细的Si-C-N非晶固体粉末中，继续研磨0.5-2小时至混合均匀；

(3)将经球磨磨细、混匀的Si-C-N非晶固体和催化剂的混合物粉末放置在刚玉坩埚中，盖上坩埚盖，以氮气、氩气或者氨气作载气和保护气，快速升温至最高温度并保温数小时，最后自然降温到室温，即可在刚玉坩埚中得到大量高纯度的珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构。

在上述制备方法中，所述步骤(1)中的唯一蒸发源为高硅含量的聚硅氮烷。

在上述制备方法中，所述步骤(1)中的聚硅氮烷的硅含量超过15at％。

在上述制备方法中，所述步骤(2)中的交联固化后的非晶固体在高耐磨容器中、在高耐磨磨球的作用下磨细，不能引入任何其他表面活性颗粒。

在上述制备方法中，所述步骤(2)中的交联固化后的非晶固体经磨细后，颗粒直径小于0.2μm。

在上述制备方法中，所述步骤(2)中的催化剂为金属Fe、Co、Ni、Cu或FeCl₂干粉。

在上述制备方法中，所述步骤(2)中Si-C-N非晶固体粉末和催化剂干粉必须混合均匀。

在上述制备方法中，所述步骤(2)中Si-C-N非晶固体粉末和催化剂干粉混合物中，催化剂的质量百分比为15％到40％。

在上述制备方法中，所述步骤(3)中采用纯度较高的氮气、氩气或者氨气作载气和保护气，其中氧气含量在0.05-1.0vol％之间。

在上述制备方法中，所述步骤(3)中的升温速度为10-50℃/分钟。

在上述制备方法中，所述步骤(3)中的前驱体热解的最高温度为1150-1250℃。