[发明专利]一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法

说明书

本发明涉及一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。其技术方案是：按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（0.3~4），将硅粉和二氧化硅粉混匀，得到硅源；将沥青基炭纤维或炭纤维毡置于高温石墨化炉，于氩气气氛中在1000~2800℃条件下热处理0.5~1h，得到碳源。按硅源∶碳源的摩尔比为1∶（0.25~4），将硅源和碳源依次置于石墨坩埚中，然后将石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压；在氩气气氛条件下，以10~20℃/min的速率将高温炭化炉升温至1200~1500℃，保温0.5~3h，自然冷却至室温，制得炭材料表面碳化硅纳米晶须。本发明工艺简单、反应条件温和、对环境友好，所制制品光学性能和电化学性能优异。

技术领域

本发明属于碳化硅纳米晶须技术领域。尤其涉及一种炭材料表面碳化硅纳米晶须及其制备方法。

背景技术

碳化硅纳米晶须（SiC_w）是一种直径为纳米至微米级的高纯单晶材料。基于其完美的晶体结构，碳化硅晶须具有高熔点（>2700℃）、低密度、抗拉伸强度优异（拉伸强度为2100MPa）以及良好的比强度和比弹性模量的力学性能，被广泛用作各种高性能材料的补强增韧添加剂。同时，一维碳化硅纳米晶须具有优异的光学和电学性能，能在高温、高能和高频等严苛环境下工作，因此在制备先进纳米光电子器件方面具有诱人的应用前景。另一方面，炭纤维与碳化硅纳米晶须复合能够有效过滤柴油中微粒，是一种新型廉价、轻质的过滤设备，有较大的工业应用价值；在电化学领域，碳化硅纳米晶须与炭材料复合后，成为性能优异的锂电池负极材料和超级电容器的电极材料，表现出优异的电化学性能。

目前，SiC晶须的制备工艺主要包括化学气相沉积法(CVD)、碳热还原法、前驱体裂解法和碳纳米炭管限制反应法等。

化学气相沉积法(CVD)是应用较广泛的方法，该方法利用含碳和硅的气体或利用能够分解形成含碳和含硅的气体有机物作为原料，制备SiC晶须。

化学气相沉积工艺需要严格控制反应物及载气流量，对设备要求较高，工艺周期较长，因而碳化硅晶须制备成本较高，且在碳化硅晶须的制备过程中伴随大量有害有毒气体产生，对环境危害较大。

碳热还原法工艺需要较高的反应温度（>1500℃），该工艺过程中一般需要催化剂的参与，此制备成本较高，催化剂参与大大影响碳化硅晶须纯度和性能，限制碳化硅晶须的大量制备和应用。

前驱体裂解法一般采用聚碳硅烷为原料，经过高温裂解得到纯度较高、长径比教大的碳化硅晶须，但聚碳硅烷前驱体价格昂贵，不适宜作为大量制备碳化硅晶须的原料。

碳纳米管限制法工艺简单，反应条件温和，无有毒有害气体产生，且该工艺不需要催化剂参与，能够制备高质量高纯度的碳化硅纳米晶须。但该工艺中以纳米炭管为碳源，价格昂贵，制备成本较高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的是提供一种工艺简单、反应条件温和和环境友好的炭材料表面碳化硅纳米晶须的制备方法；该方法制备的炭材料表面碳化硅纳米晶须具有优异的光学性能和电化学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、按硅粉∶二氧化硅粉的摩尔比为1∶（0.25~4），将硅粉和二氧化硅粉混合均匀，得到硅源。

步骤二、将沥青基炭纤维或沥青基炭纤维毡置于高温石墨化炉中，通入氩气进行高温炭化处理，高温炭化处理的温度为1000~2800℃，高温炭化处理的时间为0.5~1h，得到碳源。

步骤三、按所述硅源∶所述碳源的摩尔比为1∶（0.25~4），将所述硅源和所述碳源依次置于石墨坩埚中，然后将所述石墨坩埚放入高温炭化炉中，抽真空至5~20Pa，再通入氩气至常压。