本發(fā)明涉及一種sic納米線的制備方法，具體的說(shuō)是涉及一種開(kāi)放體系sic納米線的制備方法。

背景技術(shù)：

在眾多一維納米材料的研究中，寬帶隙半導(dǎo)體一維材料的合成及物性研究己成為主要研究熱點(diǎn)之一。而在這些寬帶隙半導(dǎo)體材料中，sic晶體材料是一種直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，其常溫禁帶寬度為3.0ev，具有高飽和電子漂移速率和導(dǎo)電性等特性，成為制作高頻、大功率、低能耗、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。

一維納米材料相比于體材料具有更優(yōu)越的性能。一維碳化硅材料由于量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，具有更優(yōu)異的發(fā)光性能，電學(xué)性能，場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)和光催化效應(yīng)。除此之外，碳化硅一維納米材料在儲(chǔ)氫和原子力顯微鏡的探針以及傳感和增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

鑒于一維碳化硅材料的優(yōu)異性能，科研工作者就碳化硅納米線的制備做了大量的工作。j.j.niu，j.n.wang于2007年在europeanjournalofinorganicchemistry（歐洲無(wú)機(jī)化學(xué)雜志，2007，4006～4010）發(fā)表了題為：anapproachtothesynthesisofsiliconcarbidenanowiresbysimplethermalevaporationofferroceneontosiliconwafers（二茂鐵在硅晶片表面上熱蒸發(fā)合成碳化硅納米線）的文章。文中將硅晶片放在高溫反應(yīng)段，并在硅晶片上鋪設(shè)二茂鐵粉體，當(dāng)溫度達(dá)到1550℃時(shí)，二茂鐵熱解產(chǎn)生碳和催化劑鐵以此合成碳化硅納米線。該法中，二茂鐵在達(dá)到反應(yīng)溫度之前就會(huì)因高溫?fù)]發(fā)，并且只能與硅片表面接觸，所得的納米線產(chǎn)量較少。

j.zhu等報(bào)道了以sicl4為硅源，c6h6為碳源，二茂鐵為催化劑在sicl4-c6h6-h2-ar體系下合成碳化硅納米棒（solidstatecommunications，118(2001)，595-598），此方法裝備設(shè)置較為復(fù)雜，且c6h6有毒，嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。

zl201410675593.1公開(kāi)了一種制備碳化硅納米線的方法，將有機(jī)酚醛樹(shù)脂和無(wú)機(jī)硅粉機(jī)械混合，裝入瓷方舟中，在氬氣保護(hù)下1200℃～1400℃下保溫1～4h，然后再冷卻到常溫，即可得到碳化硅的納米線。

zl201410653437.5公開(kāi)了一種制備碳化硅納米線的方法，按照碳元素與硅元素的摩爾比為(3～1):1稱(chēng)取石墨、硅和二氧化硅，其中硅和二氧化硅的物質(zhì)的量相同；再稱(chēng)取催化劑，催化劑與硅的質(zhì)量比為(5～20％):1，將所有原料混合，進(jìn)行球磨8～30h，然后干燥后放入瓷方舟推至管式爐中央，在氬氣保護(hù)、常壓條件下，升溫至1150～1350℃、反應(yīng)1～4h，再降至常溫，即獲得超長(zhǎng)碳化硅納米線。

zl200610049667.6公開(kāi)了一種合成碳化硅納米棒的方法，是將碎硅片置于石墨坩鍋里，將盛有碳納米管的多孔氧化鋁基片放置于坩鍋上，隨后倒置另一石墨坩鍋于基片上；將坩鍋放置真空高溫?zé)Y(jié)爐里，以10～30℃/min的升溫速率一直升溫到1400℃～1600℃，保溫時(shí)間3～6個(gè)小時(shí)，硅蒸氣與碳納米管反應(yīng)，整個(gè)裝置在氬氣的氣氛下進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)掉加熱電源，冷卻；最后有大量的灰白色的納米sic棒粉體產(chǎn)品附著在基片上。

綜上所述，碳化硅納米線的制備通常是在封閉的反應(yīng)體系中進(jìn)行。目前尚沒(méi)有在開(kāi)放體系中，并且以乙醇或丙醇作為碳源制備碳化硅納米線的先例。目前制備碳化硅納米線一般主要在封閉體系中使用硅粉、二氧化硅、或者四氯化硅為硅源，石墨片、酚醛樹(shù)脂為碳源或有機(jī)物裂解碳得到碳源。這些方法容易產(chǎn)生其他分解產(chǎn)物的雜質(zhì)或者是固態(tài)物質(zhì)的殘留，制備所得到的納米線純度以及均勻性會(huì)有所影響，產(chǎn)量也不是很高，在封閉的空間內(nèi)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳化硅納米線的連續(xù)制備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服背景技術(shù)領(lǐng)域中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種開(kāi)放體系sic納米線的制備方法，是一種方法簡(jiǎn)單，低能源消耗成本，并且可操作性強(qiáng)，可進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的，首次在開(kāi)放體系中以硅粉為硅源，以乙醇作為碳源通過(guò)高溫裂解得到碳源，在惰性氣體氬氣的流通下通過(guò)碳熱還原反應(yīng)得到sic納米線的方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下工藝方法實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明在開(kāi)放體系中以金屬硅粉為硅源，乙醇或丙醇為碳源，通過(guò)碳熱還原反應(yīng)制備出sic納米線；具體工藝過(guò)程如下：

1)開(kāi)放體系中的實(shí)驗(yàn)裝置包括：高溫管式爐、液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵和氬氣瓶；

2)將盛有金屬硅粉的石英坩堝放入管式爐中間區(qū)域，并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙

3)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵和氬氣瓶分別插入管式爐內(nèi)，根據(jù)反應(yīng)所需要的溫度來(lái)設(shè)定管式爐的升溫程序，并根據(jù)液態(tài)碳源乙醇或丙醇注射量的多少來(lái)設(shè)定反應(yīng)保溫時(shí)間；

4)當(dāng)溫度達(dá)到反應(yīng)所需要的溫度時(shí)，開(kāi)啟液態(tài)碳源數(shù)字注射泵，將碳源乙醇或丙醇通過(guò)數(shù)字注射泵注入管式爐內(nèi)，并開(kāi)通氬氣瓶，將液態(tài)碳源乙醇或丙醇通過(guò)高溫裂解氣化得到碳源，再通過(guò)氬氣輸送至管式爐中間區(qū)域反應(yīng)段進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)；

5)待液態(tài)碳源注射結(jié)束后，開(kāi)始啟動(dòng)降溫程序，降至常溫時(shí)，在管式爐的低溫段鋪設(shè)的石墨紙上沉積有淺綠色纖維產(chǎn)物。

所述步驟1）的開(kāi)放體系中的實(shí)驗(yàn)裝置是通過(guò)管式爐低溫端不接法蘭，直接與空氣相通實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的，液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵和氬氣瓶是與法蘭相連并與管式爐相通，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)碳源的注入和氬氣的輸送。

所述步驟2）金屬硅粉，有三種不同的形式，經(jīng)過(guò)球磨處理的硅粉、未經(jīng)球磨處理硅粉和納米級(jí)硅粉；經(jīng)過(guò)球磨處理的硅粉能降低硅粉的粒級(jí)，增大反應(yīng)接觸面積。

所述步驟3）液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵與法蘭相連接并延伸至管式爐爐膛內(nèi)為25cm～27cm，管式爐設(shè)定的升溫程序?yàn)?℃/min，反應(yīng)所需溫度為1500～1600℃，保溫時(shí)間則根據(jù)液態(tài)碳源注射量的多少，設(shè)置為2～4h。

所述步驟4）中氬氣的載氣速度為50～300ml/min，液態(tài)碳源的注射速度為0.2～1ml/min。

所述步驟5）中的降溫程序?yàn)?℃/min，在低溫沉積段石墨紙上沉積有淺綠色纖維產(chǎn)物，為sic納米線。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明在開(kāi)放體系下，首次以成本較低的液態(tài)乙醇或丙醇為碳源，以硅粉為硅源，通過(guò)數(shù)字注射系統(tǒng)將液態(tài)碳源注入到管式爐內(nèi)，通過(guò)氬氣將乙醇高溫裂解得到的碳源輸送到反應(yīng)段，通過(guò)碳熱還原反應(yīng)制備得到產(chǎn)物碳化硅納米線。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在開(kāi)放體系下成功制備碳化硅納米線，并且可以通過(guò)增加硅粉的量以及乙醇的注射量和延長(zhǎng)保溫時(shí)間從而可以有望實(shí)現(xiàn)的碳化硅納米線連續(xù)制。該方法具有低能源消耗成本，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需催化劑等優(yōu)點(diǎn)，該納米線可以應(yīng)用于增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、納米電子傳感器件、光催化等領(lǐng)域，同時(shí)還可以開(kāi)拓納米線的實(shí)際應(yīng)用范圍，并且本發(fā)明設(shè)備要求低，操作性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單且適合碳化硅納米線連續(xù)制備。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明開(kāi)放體系實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)物的x射線衍射圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)物的透射電鏡圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，開(kāi)放體系中的實(shí)驗(yàn)裝置包括：管式爐、液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵和氬氣瓶；將盛有金屬硅粉的石英坩堝放入有加熱元件的管式爐中間區(qū)域，并在管式爐的低溫段鋪設(shè)石墨紙；開(kāi)放體系中的實(shí)驗(yàn)裝置是通過(guò)管式爐低溫端不接法蘭，直接與空氣相通實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的，液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵和氬氣瓶是與法蘭相連并與管式爐相通，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)碳源的注入和氬氣的輸送。

實(shí)施例1：

1、以純度為99.9%的硅粉為硅源，不經(jīng)過(guò)球磨處理，稱(chēng)硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1500℃，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃時(shí)，開(kāi)始保溫2h。

3、量取97%乙醇20ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將乙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.2ml/min，通過(guò)乙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以50ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、保溫2h后，然后再以3℃/min降低至常溫，取出低溫段鋪設(shè)的石墨紙，石墨紙上生成了淺綠色絮狀沉積物，即為本發(fā)明的碳化硅納米線。

如圖2所示，是本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)物的x射線衍射圖。如圖3所示，是本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)物的掃描電鏡圖。如圖4所示，是本發(fā)明實(shí)施例1的產(chǎn)物的透射電鏡圖。

實(shí)施例2：

1、以純度為99.9%的硅粉為硅源，不經(jīng)過(guò)球磨處理，將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1550℃，當(dāng)溫度達(dá)到1550℃時(shí)，開(kāi)始保溫2h。

3、量取97%乙醇50ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將乙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.5ml/min，通過(guò)乙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以100ml/min的氬氣載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、步驟d與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3：

1、以純度為99.9%的硅粉為硅源，不經(jīng)過(guò)球磨處理，將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1600℃，當(dāng)溫度達(dá)到1600℃時(shí)，開(kāi)始保溫2h

3、量取97%丙醇80ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將丙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.8ml/min，通過(guò)丙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以300ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、步驟d與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例4：

1、以純度為99.9%的硅粉為硅源，將硅粉經(jīng)過(guò)球磨，控制轉(zhuǎn)速為100r/min、球磨時(shí)間0.5h，過(guò)篩干燥后將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1500℃，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃時(shí)，開(kāi)始保溫3h。

3、量取97%乙醇60ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將乙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.4ml/min，通過(guò)乙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以180ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、保溫3h后，然后再以3℃/min降低至常溫，取出低溫段鋪設(shè)的石墨紙，石墨紙上生成了淺綠色絮狀沉積物，即為本發(fā)明的碳化硅納米線。

實(shí)施例5：

1、以純度為99.9%的硅粉為硅源，將硅粉經(jīng)過(guò)球磨，控制轉(zhuǎn)速為120r/min、球磨時(shí)間1h，過(guò)篩干燥后將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1550℃，當(dāng)溫度達(dá)到1550℃時(shí)，開(kāi)始保溫3h

3、量取97%乙醇90ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將乙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.6ml/min，通過(guò)乙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以240ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、步驟d與實(shí)施例4相同。

實(shí)施例6：

1、以純度為99.9%的硅粉為硅源，將硅粉經(jīng)過(guò)球磨，控制轉(zhuǎn)速為150r/min、球磨時(shí)間1h，過(guò)篩干燥后將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1600℃，當(dāng)溫度達(dá)到1600℃時(shí)，開(kāi)始保溫3h。

3、量取97%丙醇130ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將丙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.8ml/min，通過(guò)丙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以300ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、步驟d與實(shí)施例4相同。

實(shí)施例7：

1、以納米硅粉為硅源，粒徑為20～60nm，，將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1500℃，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃時(shí)，開(kāi)始保溫4h。

3、量取97%乙醇40ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將乙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.2ml/min，通過(guò)乙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以50ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、保溫4h后，然后再以3℃/min降低至常溫，取出低溫段鋪設(shè)的石墨紙，石墨紙上生成了淺綠色絮狀沉積物，即為本發(fā)明的碳化硅納米線。

實(shí)施例8：

1、以納米硅粉為硅源，粒級(jí)為20～60nm，將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1550℃，當(dāng)溫度達(dá)到1550℃時(shí)，開(kāi)始保溫4h。

3、量取97%乙醇80ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將乙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為0.4ml/min，通過(guò)乙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以160ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、步驟d與實(shí)施例7相同。

實(shí)施例9：

1、以納米硅粉為硅源，粒徑為20～60nm，，將硅粉放入石英坩堝內(nèi)，并將石英坩堝推送至管式爐的中間區(qū)域。并在管式爐的低溫段鋪設(shè)一層石墨紙，用來(lái)收集反應(yīng)低溫沉積所得到的sic納米線。

2、根據(jù)碳熱還原反應(yīng)制備sic納米線所需要的溫度設(shè)置升溫程序，以5℃/min的升溫速率升至1600℃，當(dāng)溫度達(dá)到1600℃時(shí)，開(kāi)始保溫4h。

3、量取97%丙醇200ml，裝入注射器中，通過(guò)液態(tài)碳源的數(shù)字注射泵將丙醇注入到管式爐內(nèi)，注射速率為1ml/min，通過(guò)丙醇高溫裂解氣化獲得碳源，并開(kāi)通氬氣以300ml/min的載氣速度將裂解氣化的碳源輸送到高溫反應(yīng)段，參與反應(yīng)。

4、步驟d與實(shí)施例7相同。