[发明专利]一种原位‑非原位同时生长超长氮化硅纳米材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅纳米材料的制备方法。

背景技术

相对于块体材料的耐高温、抗氧化、宽带隙、电绝缘性好以及中等热传导等优良性能，一维氮化硅纳米材料的性能更加吸引研究者的目光，这主要是由于其特殊的形貌与微结构而引起的，同时也使其在复合材料、纳米器件等领域具有重要的应用前景。当前制备一维氮化硅纳米材料的方法有很多，如碳热还原法、聚合物裂解法、化学气相沉积法、模板法等。但目前关于在原位与非原位同时生长氮化硅纳米材料的报道较少，且现有的多数制备方法仅能合成出长度为几十至几百微米的一维氮化硅纳米材料，相对于这些微观尺寸的纳米材料，超长氮化硅纳米材料的制备将会拓展其在基础研究和特殊的纳米器件领域的应用前景。

目前关于超长氮化硅纳米材料的制备方法报道的较少，2005年的文献“W.Yang,Z.Xie,J.Li,H.Miao,L.Zhang,L.An,Journal of the American Ceramic Society,88(6),1647-1650.”以液态聚硅氮烷为原料，先于260℃进行固化处理，再取出研磨并与FeCl₂混合均匀于1250℃氮气条件下进行反应获得数毫米的纳米线，但对比试验发现，若未添加催化剂将没有纳米线的生成；2012年的文献“L.W.Lin,Y.H.He.CrystEngComm,14(9),3250-3256.”以易燃的CH₄为碳源、SiO或者Si与SiO₂混合物为硅源于N₂条件下加热至1400-1550℃加压条件下(1.1～1.5atm)保温3h可以获得长达几毫米的超长氮化硅纳米线。尽管以上的方法成功地制备出长达数毫米的超长氮化硅纳米材料，但是普遍存在两个问题：(1)需要催化剂，如铁等，这会导致产物纯度不高，影响纳米线的高温性能及后续应用；(2)反应条件较为苛刻，如加压、通入易燃性气体等，导致操作安全性较低，对设备要求较高等。

发明内容

本发明是为了解决目前超长氮化硅纳米材料的制备方法需要催化剂，导致产物纯度不高，影响纳米线的高温性能及后续应用、反应条件较为苛刻，导致操作安全性较低，对设备要求较高的技术问题，而提供一种原位-非原位同时生长超长氮化硅纳米材料的方法。

本发明的一种原位-非原位同时生长超长氮化硅纳米材料的方法是按以下步骤进行的：

一、制备预制粉体：将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅-二氧化硅混合粉，再将石墨和硅-二氧化硅混合粉一起装入球磨罐中，在转速为180r/min～300r/min的条件下球磨6h～30h，得到碳-硅预制粉体；所述的硅粉和二氧化硅粉的摩尔比为1:1；所述的石墨中碳元素和硅-二氧化硅混合粉中硅元素的摩尔比为3:1；

二、将步骤一制备的碳-硅预制粉体放入瓷方舟中，再将瓷方舟放入管式炉中，在氮气保护的条件下以1～10℃/min的升温速率从室温升温至300℃，在氮气保护和温度为300℃的条件下保温10min，再在氮气保护的条件下以1～10℃/min的升温速率从300℃升温至800℃，在氮气保护和温度为800℃的条件下保温10min，然后在氮气保护的条件下以1～10℃/min的升温速率从800℃升温至1500℃，在氮气保护和温度为1500℃的条件下保温1～6h，然后在氮气保护的条件下以1～10℃/min的降温速率从1500℃降温至500℃，随炉冷却至室温，即完成在粉体表面原位和瓷方舟四壁非原位同时获得超长氮化硅纳米材料。

本发明主要是以硅粉、二氧化硅粉以及石墨为原料，经称量和球磨后获得碳-硅预制粉体，经简单的制备方法于常压下就可以制备出长达数毫米级的超长氮化硅纳米材料。操作过程较为简单、设备要求低、安全系数高等。本发明制备的超长纳米材料不仅可以应用于纳米电子元器件等领域，还可以进一步拓展其在脆性材料中的应用前景。本发明在制备纳米线时采用了微米级的石墨粉、纳米级的硅和二氧化硅粉等，但在实际制备过程中，可以选择任意粒径的石墨、硅、二氧化硅粉体，当所选粒径不同时通过选择不同球磨参数来获得混合均匀的无机混合原料，之后按照本发明相似的方法也可获得生长良好且长达数毫米的超长氮化硅纳米材料。

附图说明

图1是试验一制备的超长氮化硅纳米材料的实物照片；

图2是试验一制备的氮化硅粉体表面即原位生长超长氮化硅纳米材料的SEM图；

图3是试验一中在瓷方舟四壁非原位生长的超长氮化硅纳米材料的SEM图；

图4是试验一制备的氮化硅粉体表面即原位生长超长氮化硅纳米材料的XRD图。