技术领域本发明涉及一种表面改性的一维纳米材料及制备方法与应用。
背景技术：
近年来，SiC纳米线的研究工作备受瞩目。SiC纳米线因具有极其优异的力学性能和物理化学稳定性，被视为复合材料的理想增强体；同时，SiC纳米线又具有非常优异的光电性能，在航天航空、光电器件、生物医药等领域都拥有广泛的应用前景。所以，学者们针对SiC纳米线开展了大量研究工作，尤其是关于纳米线的制备与性能研究。然而，纳米线（管）在增强树脂基复合材料时普遍存在难以分散、润湿性差、界面结合差等问题，往往无法有效发挥增强增韧的作用，甚至还会导致复合材料力学性能大幅下降。这也正是SiC纳米线在增强复合材料领域所面临的最大挑战之一。另外，SiC纳米线在高温条件下使用，容易被空气中的氧气氧化，降低碳化硅材料固有的耐高温特性。因此，若能将SiC表面改性，在SiC表面形成一层与SiC纳米线紧密结合的致密的SiO2保护层，那将会有效解决纳米线的表面界面和抗氧化问题，为SiC纳米线在复合材料、高温环境及作为功能材料等领域的应用提供保障。所以，对SiC纳米进行表面改性，是解决其应用瓶颈问题的突破口和有效办法，也是促进SiC纳米线实际应用的关键科学技术，具有重要的科学价值和实用价值。但是，有关SiC纳米的表面改性工作尚未见报道。
技术实现要素：
为了解决现有碳化硅纳米线在使用过程中的表面活性低、界面结合差、难分散、易氧化等问题，本发明提供了一种表面改性的SiC纳米线及其制备方法与应用。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种表面改性的SiC纳米线，其为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC，外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中SiO2包覆层为非晶态，界面处的结合为原子尺度的紧密结合，根据改性前SiC纳米线的直径尺度，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。一种上述表面改性的SiC纳米线的制备方法，包括如下步骤：将SiC纳米线放置到管式烧结炉或可以气氛保护的加热装置中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为5～500ml/min、氮气流量为5～1000ml/min，然后启动加热，由室温加热至700～1400℃，控制加热速率为5～20℃/min，保温时间为30～120min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。本发明中的“表面改性的SiC纳米线”可以但并不限于如下应用：（1）易于分散、与基体材料形成良好的界面结合，可以广泛用作金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料的增强体，具有更好的增强增韧效果。（2）生物医用材料的支架、载体和联接材料。（3）光电纳米元器件，纳米场发射晶体管、激光器。（4）在高温、高频、高功率和辐照等恶劣或极端工作环境下使用。根据SiC+2O2=SiO2+CO2的化学反应方程式可知，SiC纳米线在设定温度下可以与O2发生反应，本发明通过控制温度和气氛条件，让O2分子将SiC纳米线表面的SiC分子“一层一层”（LayerbyLayer）氧化——生成致密的SiO2。因为SiO2是因纳米线上SiC分子中的C由O原子取代（替换）而产生，所以只要通过控制反应温度和氧气供给量即可在SiC纳米线外表形成一层致密的SiO2保护层（一维纳米SiCSiO2核壳结构材料），从而实现对SiC纳米线的表面改性。同时，只要简单的操作，控制温度、氧气供给量和反应时间，就能实现对SiO2外壳层的控制。本发明具有如下优点：1、本发明可以在SiC纳米线表面形成一层致密的SiO2防护层，改性后的SiC纳米线具有优良的表面均匀性、界面结合效果优异，在航空航天、增强复合材料、生物医用、半导体器件以及抗氧化防腐蚀等领域拥有广阔的应用前景。2、本发明具有制备工艺简单、节能环保、易控制、成本低、产率高的优点。附图说明图1是未经处理的原始SiC纳米线的SEM（扫描电子显微镜）照片；图2是SiC纳米线表面改性处理后典型的TEM（透射电子显微镜）照片。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。具体实施方式一：本实施方式提供的对SiC纳米进行表面改性方法是通过以下步骤实现的：将SiC纳米线放置到管式烧结炉或可以气氛保护的加热装置中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为5～500ml/min、氮气流量为5～1000ml/min，然后启动加热，由室温加热至700～1400℃，控制加热速率为5～20℃/min，保温时间为30～120min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。经过表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC、外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中SiO2包覆层为非晶态，界面处的结合为原子尺度的紧密结合。根据改性前SiC纳米线的直径尺度，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。由图1可知，未经处理的原始SiC纳米线直径均匀。由图2可知，SiC经过表面改性处理后的SiO2保护层均匀致密、且与SiC纳米线界面结合完好。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，SiO2层厚度为10~200nm。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，SiO2层厚度为10~100nm。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一～三不同的是，控制氧气流量为15～200ml/min、氮气流量为20～100ml/min。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一～四不同的是，加热温度为800~1200℃，加热速率为5～10℃/min，保温时间为30～60min。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一～五不同的是，加热温度为800~1200℃，保温时间为30min。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一～六不同的是，控制氧气流量为15~100ml/min、氮气流量为20～30ml/min，以10℃/min的升温速率加热到900～1150℃，保温30min。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一～七不同的是，控制氧气流量为15~30ml/min、氮气流量为20ml/min，以10℃/min的升温速率加热到1000～1050℃。具体实施方式九：本实施方式提供的对SiC纳米进行表面改性方法是通过以下步骤实现的：将SiC纳米线放置到管式烧结炉中，通入氧气和氮气混合气流，控制氧气流量为20ml/min、氮气流量为20ml/min，然后启动加热，由室温加热至1000℃，控制加热速率为10℃/min，保温时间为30min，即可得到表面改性后的SiC纳米线。经过表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料，芯部为SiC、外层为SiO2，SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层，其中界面处的结合为原子尺度的紧密结合，外部的SiO2包覆层厚度可以控制为50nm。