本發(fā)明屬于碳化硅納米材料領(lǐng)域，特別涉及一種碳化硅納米材料的制備方法。

背景技術(shù)：

以硅為代表的第一代元素半導(dǎo)體和以砷化鎵為代表的第二代化合物半導(dǎo)體大大推動(dòng)了微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，但是由于材料本身性能的限制，其器件應(yīng)用也趨于極限。與硅和砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，碳化硅擁有很多優(yōu)良的特性，比如帶隙寬，熱導(dǎo)率高，臨界擊穿電場(chǎng)高，電子飽和遷移速率高，抗氧化抗腐蝕耐高溫能力強(qiáng)等。因此以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體受到了人們極大的關(guān)注，碳化硅在制備高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射器件等方面具有巨大的潛力。

現(xiàn)有技術(shù)中，碳化硅納米材料的制備方法主要是使用不同碳源、硅源的碳熱還原法。在制備碳化硅納米材料過(guò)程中，存在碳源和硅源很難混合均勻、原料利用率偏低、產(chǎn)率不高等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種碳化硅納米材料的制備方法，解決了在制備碳化硅納米材料過(guò)程中，碳源和硅源很難混合均勻、原料利用率偏低、產(chǎn)率不高等問(wèn)題，具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)溫度低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、耗能低、易于大規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)物純度高、結(jié)晶性好、粗細(xì)均勻的技術(shù)效果。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種碳化硅納米材料的制備方法，所述方法包括：按照摩爾比1:2:10:0.01的量的稱取間苯二酚、甲醛、去離子水和碳酸鈉，攪拌均勻后得到間苯二酚-甲醛溶膠；按照摩爾比1:4:1:7.8×10^-4的量將正硅酸乙酯、乙醇、去離子水和鹽酸(0.1mol/L)混合均勻后得到二氧化硅溶膠；將所述間苯二酚-甲醛溶膠和所述二氧化硅溶膠按照間苯二酚和正硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：2.1的量混合攪拌均勻后制得間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠；按照碳元素與金屬鹽的摩爾比為70～100將所述間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末與硝酸鈷進(jìn)行研磨，得到未提純的樣品；將所述未提純的樣品去碳后，用體積比為3：1氫氟酸和濃硝酸混合液處理除去二氧化硅，制得β-碳化硅納米材料。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：按照摩爾比1:4:1:7.8×10^-4的量將正硅酸乙酯、乙醇、去離子水和鹽酸(0.1mol/L)混合均勻后，在40℃下攪拌2小時(shí)，然后冷卻至室溫，再按照一定的比例加入1mol/L的氨水和去離子水，使得正硅酸乙酯、氨水和此部分去離子水的摩爾比為1:5.7×10^-3:3，再在室溫下攪拌10分鐘，得到二氧化硅溶膠。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：將所述間苯二酚-甲醛溶膠和所述二氧化硅溶膠按照間苯二酚和正硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：2.1的量混合攪拌均勻后注入安瓿瓶中，封口，在85℃水浴中反應(yīng)3天，形成黑紅色的透明濕凝膠，將所述濕凝膠在超臨界石油醚中干燥120分鐘，制得間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：按照碳元素與金屬鹽的摩爾比為70～100將所述間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末與硝酸鈷進(jìn)行研磨，將研磨后得到的混合物置于氧化鋁坩堝內(nèi)，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣并充入氬氣，保持氬氣的流量為200～300ml/min，按照5℃/min的速率升溫至1300℃～1500℃進(jìn)行熱處理，保溫1～5小時(shí)，得到未提純樣品。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：將所述未提純樣品在600℃空氣氣氛中灼燒5小時(shí)以除去碳。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：將所述未提純的樣品去碳后，用體積比為3：1的氫氟酸和濃硝酸混合液處理72小時(shí)，除去二氧化硅，再經(jīng)過(guò)去離子水清洗和離心處理，干燥，制得β-碳化硅納米材料。

本申請(qǐng)實(shí)施例中的上述一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下一種或多種技術(shù)效果：

在本發(fā)明實(shí)施例中，首先制得間苯二酚-甲醛溶膠，再制得二氧化硅溶膠，通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)，得到碳硅元素分布均勻的間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠，這種氣凝膠能使碳硅元素以及催化劑在納米水平上進(jìn)行混合，反應(yīng)活性高，工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程中幾乎沒(méi)有污染環(huán)境的有害氣體產(chǎn)生，解決了在制備碳化硅納米材料過(guò)程中，碳源和硅源很難混合均勻、原料利用率偏低、產(chǎn)率不高等問(wèn)題，具有工藝簡(jiǎn)單、原料利用率高、生產(chǎn)溫度低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、耗能低，易于大規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)物純度高、結(jié)晶性好、粗細(xì)均勻的技術(shù)效果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例提供一種碳化硅納米材料的制備方法，解決了在制備碳化硅納米材料過(guò)程中，存在碳源和硅源很難混合均勻、原料利用率偏低、產(chǎn)率不高等問(wèn)題，具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)溫度低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、耗能低，易于大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)物純度高、結(jié)晶性好、粗細(xì)均勻的技術(shù)效果。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的思路如下：

按照摩爾比1:2:10:0.01的量的稱取間苯二酚、甲醛、去離子水和碳酸鈉，攪拌均勻后得到間苯二酚-甲醛溶膠；按照摩爾比1:4:1:7.8×10^-4的量將正硅酸乙酯、乙醇、去離子水和鹽酸混合均勻后得到二氧化硅溶膠；將所述間苯二酚-甲醛溶膠和所述二氧化硅溶膠按照間苯二酚和正硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：2.1的量混合攪拌均勻后制得間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠；按照碳元素與金屬鹽的摩爾比為70～100將所述間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末與硝酸鈷進(jìn)行研磨，得到未提純的樣品；將所述未提純的樣品去碳后，用體積比為3：1氫氟酸和濃硝酸混合液處理除去二氧化硅，制得β-碳化硅納米材料。解決了在制備碳化硅納米材料過(guò)程中，碳源和硅源很難混合均勻，原料利用率偏低，產(chǎn)率不高等問(wèn)題。

實(shí)施例1

稱取6.606g間苯二酚和8.8ml 37％的甲醛，混合，加入10.8ml去離子水作為溶劑調(diào)節(jié)濃度，再加入0.0636g碳酸鈉，然后利用磁力攪拌裝置攪拌15分鐘，使間苯二酚、甲醛和碳酸鈉充分均勻的溶解在水中，形成間苯二酚-甲醛溶膠。

將26.9ml正硅酸乙酯、28.0ml乙醇和2.2ml去離子水混合在一起，滴入0.1mol/L的鹽酸(HCl)0.96ml，在40℃下攪拌2小時(shí)，進(jìn)行水解；在溶液冷卻到室溫下后，然后再加入0.69ml 1mol/L的氨水和6.48ml去離子水，在室溫下攪拌10min后，形成二氧化硅溶膠。

按質(zhì)量比1.0:2.1稱取4.55g間苯二酚-甲醛溶膠和9.55g二氧化硅溶膠混合，然后攪拌10分鐘，形成淡黃色、均一的混合溶膠。將此混和溶膠注入安瓿瓶中，封口，置于85℃水浴中72小時(shí)，形成透明的黑紅色的濕凝膠，取出濕凝膠。在超臨界石油醚中干燥120分鐘，制得間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠。

按照質(zhì)量比為1：0.087稱取1.000g間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末和0.087g硝酸鈷(其中C/Co摩爾比為70：1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，然后以5℃/min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1300℃下進(jìn)行熱處理1小時(shí)。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。

先在空氣氣氛下600℃灼燒以除去碳，然后用氫氟酸(40％)和硝酸(65％)的混合液(體積比3：1)處理72小時(shí)，除去二氧化硅，最后經(jīng)過(guò)去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β-碳化硅，直徑100nm左右，收率(實(shí)際產(chǎn)量與原料重量的比值)為52.6％。

實(shí)施例2

稱取6.606g間苯二酚和8.8ml 37％的甲醛，混合，加入10.8ml去離子水作為溶劑調(diào)節(jié)濃度，再加入0.0636g碳酸鈉，然后利用磁力攪拌裝置攪拌15分鐘，使間苯二酚、甲醛和碳酸鈉充分均勻的溶解在水中，形成間苯二酚-甲醛溶膠。

將26.9ml正硅酸乙酯、28.0ml乙醇和2.2ml去離子水混合在一起，滴入0.1mol/L的鹽酸(HCl)0.96ml，在40℃下攪拌2小時(shí)，進(jìn)行水解；在溶液冷卻到室溫下后，然后再加入0.69ml 1mol/L的氨水和6.48ml去離子水，在室溫下攪拌10min后，形成二氧化硅溶膠。

按質(zhì)量比1.0:2.1稱取4.55g間苯二酚-甲醛溶膠和9.55g二氧化硅溶膠混合，然后攪拌10分鐘，形成淡黃色、均一的混合溶膠。將此混和溶膠注入安瓿瓶中，封口，置于85℃水浴中72小時(shí)，形成透明的黑紅色的濕凝膠，取出濕凝膠。在超臨界石油醚中干燥120分鐘，制得間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠。

按照質(zhì)量比為1：0.072稱取1.000g間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末和0.072g硝酸鈷(其中C/Co摩爾比為85：1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，然后以5℃/min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1300℃下進(jìn)行熱處理1小時(shí)。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。

先在空氣氣氛下600℃灼燒以除去碳，然后用氫氟酸(40％)和硝酸(65％)的混合液(體積比3：1)處理72小時(shí)，除去二氧化硅，最后經(jīng)過(guò)去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β-碳化硅，收率(實(shí)際產(chǎn)量與原料重量的比值)為52.3％。

實(shí)施例3

稱取6.606g間苯二酚和8.8ml 37％的甲醛，混合，加入10.8ml去離子水作為溶劑調(diào)節(jié)濃度，再加入0.0636g碳酸鈉，然后利用磁力攪拌裝置攪拌15分鐘，使間苯二酚、甲醛和碳酸鈉充分均勻的溶解在水中，形成間苯二酚-甲醛溶膠。

將26.9ml正硅酸乙酯、28.0ml乙醇和2.2ml去離子水混合在一起，滴入0.1mol/L的鹽酸(HCl)0.96ml，在40℃下攪拌2小時(shí)，進(jìn)行水解；在溶液冷卻到室溫下后，然后再加入0.69ml 1mol/L的氨水和6.48ml去離子水，在室溫下攪拌10min后，形成二氧化硅溶膠。

按質(zhì)量比1.0:2.1稱取4.55g間苯二酚-甲醛溶膠和9.55g二氧化硅溶膠混合，然后攪拌10分鐘，形成淡黃色、均一的混合溶膠。將此混和溶膠注入安瓿瓶中，封口，置于85℃水浴中72小時(shí)，形成透明的黑紅色的濕凝膠，取出濕凝膠。在超臨界石油醚中干燥120分鐘，制得間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠。

按照質(zhì)量比為1：0.061稱取1.000g間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠粉末和0.061g硝酸鈷(其中C/Co摩爾比為100：1)，充分研磨，將混合物置于氧化鋁坩堝中，平推入真空管式爐中，密封，抽去爐內(nèi)空氣，充入氬氣，然后以5℃/min的升溫速率升至預(yù)定溫度，在1300℃下進(jìn)行熱處理1小時(shí)。加熱程序完成后，靜置爐體冷卻至室溫，取出未提純的樣品。

先在空氣氣氛下600℃灼燒以除去碳，然后用氫氟酸(40％)和硝酸(65％)的混合液(體積比3：1)處理72小時(shí)，除去二氧化硅，最后經(jīng)過(guò)去離子水清洗和離心處理，干燥，制得提純的納米β-碳化硅，收率(實(shí)際產(chǎn)量與原料重量的比值)為43.7％。

本發(fā)明本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種碳化硅納米材料的制備方法具有如下技術(shù)效果：

在本發(fā)明實(shí)施例中，首先制得間苯二酚-甲醛溶膠，再制得二氧化硅溶膠，通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)，得到碳硅元素分布均勻的間苯二酚-甲醛/二氧化硅復(fù)合氣凝膠，這種氣凝膠能使碳硅元素以及催化劑在納米水平上進(jìn)行混合，反應(yīng)活性高，工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程中幾乎沒(méi)有污染環(huán)境的有害氣體產(chǎn)生，解決了在制備碳化硅納米材料過(guò)程中，碳源和硅源很難混合均勻、原料利用率偏低、產(chǎn)率不高等問(wèn)題，具有工藝簡(jiǎn)單、原料利用率高、生產(chǎn)溫度低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、耗能低、易于大規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)物純度高、結(jié)晶性好、粗細(xì)均勻的技術(shù)效果。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。