一种碳纤维布表面定向SiC纳米线阵列及制备方法

一种碳纤维布表面定向sic纳米线阵列及制备方法
技术领域
1.本发明属于sic纳米线的制备方法，涉及一种碳纤维布表面定向sic纳米线阵列及制备方法。


背景技术：

2.sic纳米线由于具有低密度、良好的热稳定性和化学稳定性、优异的机械强度，而且与sic纳米颗粒和晶须相比，sic纳米线具有更大的长径比，常常被作为增强相引入到材料内部以提高其力学性能，文献1“shen ql,li hj,li l,et al.sic nanowire reinforced carbon/carbon composites with improved interlaminar strength[j].materials science and engineering:a,2016,651:583-589.”通过化学气相沉积法将齿状sic纳米线引入到c/c复合材料中，sic纳米线与基体形成机械互锁，提高了载荷传递效率，使得材料的层间强度有所提高，但增强的界面导致复合材料韧性降低。此外，目前大多数工艺制备的sic纳米线是平铺于基体表面，导致两者之间界面结合力较弱，进而造成较差的载荷传递效果，极大地限制了sic纳米线的增韧作用。同时，sic纳米线取向对其增韧效果的发挥也至关重要。原位定向生长的碳化硅纳米线与基体结合力强，取向分布均匀，有望达到令人满意的增韧效果。
[0003]
针对碳化硅纳米线的定向生长，目前的制备技术主要有模板法、聚合物前驱体热解法。文献2等“pan zw,lai hl,au fck,et al.oriented silicon carbide nanowires:synthesis and field emission properties[j].advanced materials,2000,12(16):1186-1190.”采用碳纳米管模板法制备了定向生长的sic纳米线，其取向、尺寸与碳纳米管模板高度相似。但是使用模板法制备sic纳米线定向阵列会产生后续模板难以去除的问题，而且纳米线尺寸及取向会受到模板的限制，步骤复杂，成本高昂。在专利1(cn200910160766.5)中通过sic单晶片诱导生长单晶sic纳米线，得到了大面积定向生长的sic纳米线。文献3“liu wn,li xx,li wj,et al.high-performance supercapacitors based on free-standing sic@pedot nanowires with robust cycling stability[j].journal of energy chemistry,2022,66:30-37.”通过热解聚硅氮烷在碳纤维上生长sic纳米线。但是由于聚合物前驱体的成本较高，限制其进一步的应用。
[0004]
本发明将通过催化剂辅助化学气相沉积方法，实现sic纳米线在整体碳纤维布上的均匀分布并在单根碳纤维上原位均匀定向生长，获得大面积定向sic纳米线阵列；该方法有效避免了工艺复杂、成本高等问题，为增韧用sic纳米线的制备提供新的技术和方法。


技术实现要素：

[0005]
要解决的技术问题
[0006]
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种碳纤维布表面定向sic纳米线阵列及制备方法。
[0007]
技术方案
[0008]
一种碳纤维布表面定向sic纳米线阵列，其特征在于sic纳米线表面光滑，尺寸均一，在整体碳纤维布上分布均匀并在单根碳纤维上原位均匀定向生长。
[0009]
一种所述碳纤维布表面定向sic纳米线阵列的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0010]
步骤1、碳纤维布处理：将预处理后的碳纤维布置于金属盐催化剂溶液中浸泡1～10h，然后取出并置于60～100℃烘箱于5～24h烘干；
[0011]
步骤2、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.1～0.5:0.3～0.7进行混合，放入行星式球磨机中150～200转/分钟研磨12～24h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于60～100℃烘箱于5～12h烘干；
[0012]
步骤3、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：将步骤2得到的粉体放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部1～5cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1～0.4pa；再将氩气以10～200ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5～20℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1300～1800℃，并在该温度保温1～10h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列。
[0013]
所述碳纤维布预处理是分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于60～100℃烘箱于8～24h烘干。
[0014]
所述的金属盐溶液包括但不限于：硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硫酸亚铁、硫酸钴、硫酸镍、氯化铁、氯化钴或氯化镍。
[0015]
有益效果
[0016]
本发明提出的一种碳纤维布表面定向sic纳米线阵列及制备方法，采用低成本原料并利用催化剂辅助化学气相沉积工艺，实现了在碳纤维布表面原位定向生长sic纳米线阵列。该sic纳米线表面光滑，尺寸均一，在整体碳纤维布上分布均匀并在单根碳纤维上原位均匀定向生长，且定向效果明显。本发明使用该制备方法获得了大面积定向sic纳米线阵列。本发明所提供的技术方案，原料成本低、工艺及设备简单可控、普适性强、具有良好的可重复性。由于不同于前人所制备的随机取向的碳化硅纳米线，本发明所制备的sic纳米线与基体结合力强，有望达到满意的增韧效果。使用所述方法制备的sic纳米线在整体碳纤维布上分布均匀，在单根碳纤维上整体定向明显；实现了大面积、可重复的原位定向生长sic纳米线阵列的效果。
[0017]
本发明由于采用低成本原料即sio2、si、c混合粉体并利用催化剂辅助化学气相沉积工艺，反应机理是催化剂辅助气-液-固(vls)机制，使得出现了在碳纤维布表面原位定向生长sic纳米线阵列的效果。相比于随机取向且平铺于基底表面的sic纳米线，在基底表面原位定向生长的sic纳米线被认为具有更优异的增韧效果。本发明所制备的sic纳米线在整体碳纤维布上均匀分布并在单根碳纤维上原位均匀定向生长，且定向效果明显，获得了大面积定向sic纳米线阵列。该技术方案操作简单，工艺可控，原材料成本低，重复性好、普适性强，具有广阔的应用前景。
[0018]
图1为本发明所制备的碳纤维布表面定向sic纳米线阵列的xrd图谱，从图1的xrd可得知，本发明所制备的sic纳米线的主要成分为β-sic。图2为本发明所制备的碳纤维布表面定向sic纳米线阵列的低倍sem表征图，从图2的低倍扫描电镜照片可看出，本发明所制备的sic纳米线均匀地生长在碳纤维布上，形貌均一。图3为本发明所制备的定向sic纳米线阵
列原位生长在单根碳纤维上的sem表征图，从图3的扫描电镜照片可看出，本发明所制备的sic纳米线在碳纤维上原位定向生长，纳米线表面光滑，直径为0.5～1.5μm，长度在10～30μm。而且，在sic纳米线的顶端可观察到球冠状催化剂的存在，说明该sic纳米线的生长机理为催化剂辅助气-液-固(vls)机制。综上所述，本发明所提供的技术方案，实现了sic纳米线在整体碳纤维布上的均匀分布，在单根碳纤维上的原位均匀定向生长，获得了大面积定向sic纳米线阵列；该技术方案原料成本低、工艺及设备简单可控、普适性强、具有良好的可重复性。本发明为制备sic纳米线定向阵列提供了一种新的技术和方法。
附图说明
[0019]
图1：本发明所制备的碳纤维布表面定向sic纳米线阵列的xrd图谱；
[0020]
图2：本发明所制备的碳纤维布表面定向sic纳米线阵列的低倍sem表征图；
[0021]
图3：本发明所制备的定向sic纳米线阵列原位生长在单根碳纤维上的sem表征图。
具体实施方式
[0022]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0023]
实施例1：
[0024]
一、碳纤维布处理：将碳纤维布分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于70℃烘箱于12h烘干，将干燥后的碳纤维布置于1mol/l硝酸铁溶液中浸泡1h，然后取出并置于70℃烘箱于12h烘干；
[0025]
二、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.4:0.5进行混合，放入行星式球磨机中200转/分钟研磨12h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于70℃烘箱于8h烘干；
[0026]
三、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：
[0027]
将步骤二中得到的粉体称取1g放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部2cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1pa；再将氩气以10ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1500℃，并在该温度保温4h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列，完成制备。
[0028]
实施例2：
[0029]
一、碳纤维布处理：将碳纤维布分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于70℃烘箱于12h烘干，将干燥后的碳纤维布置于1mol/l硝酸铁溶液中浸泡1h，然后取出并置于70℃烘箱于12h烘干；
[0030]
二、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.4:0.5进行混合，放入行星式球磨机中200转/分钟研磨12h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于70℃烘箱于8h烘干；
[0031]
三、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：
[0032]
将步骤二中得到的粉体称取2g放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部2cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1pa；再将氩气以100ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1500℃，并在该温度保温6h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列，完成制备。
[0033]
实施例3：
[0034]
一、碳纤维布处理：将碳纤维布分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于70℃烘箱于12h烘干，将干燥后的碳纤维布置于1mol/l硝酸铁溶液中浸泡1h，然后取出并置于70℃烘箱于12h烘干；
[0035]
二、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.4:0.5进行混合，放入行星式球磨机中200转/分钟研磨12h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于70℃烘箱于8h烘干；
[0036]
三、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：
[0037]
将步骤二中得到的粉体称取1g放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部2cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1pa；再将氩气以50ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1600℃，并在该温度保温2h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列，完成制备。
[0038]
实施例4：
[0039]
一、碳纤维布处理：将碳纤维布分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于70℃烘箱于12h烘干，将干燥后的碳纤维布置于0.5mol/l硝酸铁溶液中浸泡1h，然后取出并置于70℃烘箱于12h烘干；
[0040]
二、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.4:0.5进行混合，放入行星式球磨机中200转/分钟研磨12h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于70℃烘箱于8h烘干；
[0041]
三、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：
[0042]
将步骤二中得到的粉体称取4g放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部2cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1pa；再将氩气以10ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1500℃，并在该温度保温2h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列，完成制备。
[0043]
实施例5：
[0044]
一、碳纤维布处理：将碳纤维布分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于70℃烘箱于12h烘干，将干燥后的碳纤维布置于1mol/l硝酸钴溶液中浸泡1h，然后取出并置于70℃烘箱于12h烘干；
[0045]
二、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.4:0.5进行混合，放入行星式球磨机中200转/分钟研磨12h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于70℃烘箱于8h烘干；
[0046]
三、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：
[0047]
将步骤二中得到的粉体称取2g放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部2cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1pa；再将氩气以10ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1500℃，并在该温度保温4h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列，完成制备。
[0048]
实施例6：
[0049]
一、碳纤维布处理：将碳纤维布分别用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗并置于70℃烘箱于12h烘干，将干燥后的碳纤维布置于1mol/l硝酸钴溶液中浸泡1h，然后取出并置于70
℃烘箱于12h烘干；
[0050]
二、粉体混合：将sio2、si、c粉体按质量比为1:0.4:0.5进行混合，放入行星式球磨机中200转/分钟研磨12h，得到混合后的均匀粉体，然后取出并置于70℃烘箱于8h烘干；
[0051]
三、sic纳米线在碳纤维布表面定向合成：
[0052]
将步骤二中得到的粉体称取2g放入石墨坩埚中，浸渍金属盐后的干燥碳纤维布置于石墨坩埚顶部，距离坩埚底部2cm，放入气氛烧结炉内，抽真空，控制气氛烧结炉的真空度为0.1pa；再将氩气以10ml/min的流量充入气氛烧结炉；然后以5℃/min的升温速率将气氛烧结炉升温至1600℃，并在该温度保温2h，随后停止加热随炉冷却至室温，开炉即得到在碳纤维布表面定向生长的sic纳米线阵列，完成制备。
[0053]
本发明提供了一种碳纤维布表面定向sic纳米线阵列的制备方法。本发明所提供的技术方案，实现了sic纳米线在整体碳纤维布上的均匀分布并在单根碳纤维上原位均匀定向生长，获得了大面积定向sic纳米线阵列。该技术方案原料成本低、工艺及设备简单可控、普适性强、具有良好的可重复性。本发明为制备sic纳米线定向阵列提供了一种新的技术和方法。
[0054]
本发明技术方案并不局限于以上所列举的具体实施方式，还可以作出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。