本發(fā)明屬于新型無機(jī)納米多孔材料領(lǐng)域，具體涉及一種大尺寸sic納米線氣凝膠的低成本制備方法。

背景技術(shù)：

氣凝膠是一種密度低、比表面積大、氣孔率高、導(dǎo)熱系數(shù)低的納米級介孔復(fù)合材料，在高溫隔熱系統(tǒng)、催化劑載體、過濾器、電子、光學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的陶瓷氣凝膠通常由納米粒子組成，強(qiáng)度低，脆性大，難以制成大尺寸制品，且在高溫下會發(fā)生體積收縮。因此，其實(shí)際應(yīng)用一直受到限制。sic納米線氣凝膠是一種新型的氣凝膠材料，它不僅具有氣凝膠的超輕、絕熱、高比表面積和強(qiáng)吸附等特性，而且還具有sic納米線耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高彈性、強(qiáng)場發(fā)射等性能，特別是彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氣凝膠脆性大的缺陷，該材料其在隔熱保溫、儲能、催化、防彈、環(huán)保等領(lǐng)域具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)“ultralight,recoverable,andhigh-temperature-resistantsicnanowireaerogel”以硅氧烷干凝膠為主要原料，利用碳化硅納米線的原位生長及自組裝技術(shù)，制備了一種超輕、高彈性、耐高溫且面積大于150cm2納米線氣凝膠紙，其密度僅為5mg/cm3,氣孔率高達(dá)99.8%。專利號為201810086069.9，以聚碳硅烷為主要原料，采用常壓cvd法制備的sic納米線氣凝膠，密度小、純度高、透光性好。sic納米線氣凝膠是一種較新的材料，現(xiàn)在大多以價(jià)格昂貴且環(huán)境不友好的有機(jī)陶瓷前驅(qū)體為原料，幾乎沒有關(guān)于其大尺寸制品的研究報(bào)道，極大的限制了該材料的工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提出一種大尺寸sic納米線氣凝膠的低成本制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：

一種大尺寸sic納米線氣凝膠低成本制備方法，所述的制備方案以淀粉為碳源、金屬硅為硅源，水為溶劑，加入分散劑和發(fā)泡劑，淀粉經(jīng)過溶膠、發(fā)泡、凝膠固化、碳化后形成多孔碳；多孔碳提供硅碳反應(yīng)生成sic納米線的生長空間和模板，隨著反應(yīng)的進(jìn)行碳結(jié)構(gòu)被消耗，sic納米線大量生成且交織互聯(lián)成宏觀的三維sic納米線氣凝膠，具體步驟如下：

1）含硅淀粉溶膠配制：

將淀粉、金屬硅粉、水和分散劑按一定比例放入行星式球磨機(jī)中球磨混合均勻得到穩(wěn)定的含硅淀粉溶膠；

2）發(fā)泡步驟：

將步驟1）得到的含硅淀粉溶膠，加入發(fā)泡劑，用攪拌機(jī)攪拌20min，在30~45℃，靜置2h得到多孔溶膠；

3）凝膠固化步驟：

將步驟2）得到的多孔溶膠，水浴加熱80~100℃保溫40min，110℃干燥至恒重，得到多孔凝膠；

4）碳化步驟：

將步驟3）得到的多孔凝膠，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下600℃碳化至恒重，得到多孔碳試樣。

5）硅碳反應(yīng)步驟：

將步驟4）得到的多孔碳試樣，在氬氣保護(hù)條件下，以10~15℃/min的升溫速率升至1350~1650℃，1350~1650℃保溫3~10h后隨爐冷卻,空氣550℃中排除過量的碳，得到sic納米線氣凝膠。

步驟1）所述的淀粉為小麥淀粉、玉米淀粉、紅薯淀粉和高粱淀粉等淀粉中的一種或多種；

步驟1）所述的分散劑為聚丙烯酰胺、camtmentfs20、四甲基乙二胺中的一種或多種。

步驟2）所述的發(fā)泡劑為十二烷基硫酸三乙醇胺、酵母、蛋清、小蘇打等發(fā)泡劑的一種或多種。

步驟1）和2）所述的淀粉、金屬硅粉、發(fā)泡劑、水和分散劑的質(zhì)量比為100：5~20:0.5~10:80~130:0.02~1。

本發(fā)明的一種大尺寸sic納米線氣凝膠的低成本制備方法，采用上述技術(shù)方案，具有如下特點(diǎn)：

1、該方法以淀粉和金屬硅為碳源和硅源，原料價(jià)格低廉，制備過程中不放出有毒有害氣體，綠色環(huán)保；

2、制備過程中，首先把淀粉、硅和水制備成含硅淀粉溶膠，經(jīng)發(fā)泡、凝膠固化和碳化得到大尺寸、高孔隙的多孔碳模板，然后si和c反應(yīng)消耗碳模板，生成大量sic納米線，這些納米線相互交織互聯(lián)得到三維大尺寸sic納米線氣凝。工藝操作簡單、無需超臨界干燥，對設(shè)備要求低，安全性強(qiáng)；

3、該法通過硅碳原位反應(yīng)所得到sic納米線純度高、直徑小（<100nm）長度大(>100μm)，這些納米線交織互聯(lián)所形成的sic氣凝膠的密度低，比表面積大、韌性好、強(qiáng)度適中、高溫穩(wěn)定性和隔熱性能優(yōu)異，在隔熱、催化和過濾等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法實(shí)施1例中制備的sic納米線氣凝膠的物相分析xrd圖譜。

圖2是本發(fā)明方法實(shí)施1例中制備的sic納米線氣凝膠的數(shù)碼照片。

圖3是本發(fā)明方法實(shí)施1例中制備的sic納米線氣凝膠的掃面電鏡照片（納米線氣凝膠放大200倍的掃描電鏡照片）。

圖4是本發(fā)明方法實(shí)施1例中制備的sic納米線氣凝膠的掃面電鏡照片（納米線氣凝膠放大50000倍的場發(fā)射掃描電鏡照片）。

具體實(shí)施方案

結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明加以說明：

實(shí)施例1：將100份的小麥淀粉、10份金屬硅粉、105份水和0.5份聚丙烯酰胺，放入行星式球磨機(jī)中，以30r/min球磨2h,得到含硅淀粉溶膠；在溶膠中加入1份酵母，以800r/min攪拌20min，35℃保溫2h，得到多孔溶膠；將多孔溶膠放入水浴鍋中，100℃保溫40min，然后取出樣品放入烘箱，110℃干燥至恒重，得到多孔凝膠；氮?dú)鈿夥?00℃保溫至恒重得到多孔碳；在氬氣保護(hù)條件下，以15℃/min的升溫速率升至1350℃保溫10h，隨爐冷卻，空氣中550℃排碳至恒重得到sic納米線氣凝膠，制備的sic納米線氣凝膠的物相分析xrd圖譜如圖1所示，備的sic納米線氣凝膠的數(shù)碼照片如圖2所示，納米線氣凝膠放大200倍的掃描電鏡照片如圖3所示，納米線氣凝膠放大50000倍的場發(fā)射掃描電鏡照片如圖4所示。

實(shí)施例2：將100份的高粱淀粉、8份金屬硅粉、90份水和0.1份四甲基乙二胺放入行星式球磨機(jī)中30r/min球磨2h,得到含硅淀粉溶膠；在溶膠中加入1份酵母，以800r/min攪拌20min，35℃保溫2h，得到多孔溶膠；將多孔溶膠放入水浴鍋中，95℃保溫40min，然后取出樣品放入烘箱110℃干燥至恒重，得到多孔凝膠；在氮?dú)鈿夥罩?00℃保溫至恒重得到多孔碳；在氬氣保護(hù)條件下，以14℃/min的升溫速率升至1410℃保溫4h，隨爐冷卻,空氣550℃中排碳至恒重得到sic納米線氣凝膠。

實(shí)施例3：將100份的玉米淀粉、9份金屬硅粉、85份水和0.05份camtmentfs20放入行星式球磨機(jī)中以30r/min球磨2h,得到含硅淀粉溶膠；在溶膠中加入1份酵母，3份小蘇打，以800r/min攪拌20min，35℃保溫2h，得到多孔溶膠；將多孔溶膠放入水浴鍋中，98℃保溫40min，然后取出樣品放入烘箱110℃干燥至恒重，得到多孔凝膠；在氮?dú)鈿夥?00℃保溫恒重得到多孔碳；在氬氣保護(hù)條件下，以12℃/min的升溫速率升至1420℃，保溫2h后隨爐冷卻,空氣550℃中排碳至恒重得到sic納米線氣凝膠。

實(shí)施例4：將100份的小麥淀粉、10份金屬硅粉、110份水和0.5份聚丙烯酰胺放入行星式球磨機(jī)中以30r/min球磨2h,得到含硅淀粉溶膠；在溶膠中加入十二烷基硫酸三乙醇5份、800r/min攪拌20min，35℃保溫2h，得到多孔溶膠；將多孔溶膠放入水浴鍋中，100℃保溫40min，然后取出樣品放入烘箱110℃干燥至恒重，得到多孔凝膠；氮?dú)鈿夥?00℃保溫衡重得到多孔碳；氬氣保護(hù)條件下，以10℃/min的升溫速率升至1350℃，1350℃保溫10h后隨爐冷卻,空氣550℃中排碳至恒重得到sic納米線氣凝膠。

實(shí)施例5：將100份的高粱淀粉、8份金屬硅粉、90份水和0.05份camtmentfs20放入行星式球磨機(jī)中30r/min球磨2h,得到含硅淀粉溶膠；在溶膠中加入十二烷基硫酸三乙醇胺5份、800r/min攪拌10min，25℃保溫2h，得到多孔溶膠；將多孔溶膠放入水浴鍋中，94℃保溫40min，110℃干燥至恒重得到多孔凝膠；氮?dú)鈿夥?00℃保溫衡重得到多孔碳；氬氣保護(hù)條件下，以10~15℃/min的升溫速率升至1610℃，保溫0.5h后隨爐冷卻,空氣550℃中排碳至恒重得到sic納米線氣凝膠。

技術(shù)特征：

1.一種大尺寸sic納米線氣凝膠低成本制備方法，其特征在于：所述的制備方案以淀粉為碳源、金屬硅為硅源，水為溶劑，加入分散劑和發(fā)泡劑，淀粉經(jīng)過溶膠、發(fā)泡、凝膠固化、碳化后形成多孔碳；多孔碳提供硅碳反應(yīng)生成sic納米線的生長空間和模板，隨著反應(yīng)的進(jìn)行碳結(jié)構(gòu)被消耗，sic納米線大量生成且交織互聯(lián)成宏觀的三維sic納米線氣凝膠，具體步驟如下：

1）含硅淀粉溶膠配制：

將淀粉、金屬硅粉、水和分散劑按一定比例放入行星式球磨機(jī)中球磨混合均勻得到穩(wěn)定的含硅淀粉溶膠；

2）發(fā)泡步驟：

將步驟1）得到的含硅淀粉溶膠，加入發(fā)泡劑，用攪拌機(jī)攪拌20min，在30~45℃，靜置2h得到多孔溶膠；

3）凝膠固化步驟：

將步驟2）得到的多孔溶膠，水浴加熱80~100℃保溫40min，110℃干燥至恒重，得到多孔凝膠；

4）碳化步驟：

將步驟3）得到的多孔凝膠，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下600℃碳化至恒重，得到多孔碳試樣。

5）硅碳反應(yīng)步驟：

將步驟4）得到的多孔碳試樣，在氬氣保護(hù)條件下，以10~15℃/min的升溫速率升至1350~1650℃，1350~1650℃保溫3~10h后隨爐冷卻,空氣550℃中排除過量的碳，得到sic納米線氣凝膠。

2.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸sic納米線氣凝膠低成本制備方法，其特征在于：步驟1）所述的淀粉為小麥淀粉、玉米淀粉、紅薯淀粉和高粱淀粉等淀粉中的一種或多種。

3.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸sic納米線氣凝膠低成本制備方法，其特征在于：步驟1）所述的分散劑為聚丙烯酰胺、camtmentfs20、四甲基乙二胺中的一種或多種。

4.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸sic納米線氣凝膠低成本制備方法，其特征在于：步驟2）所述的發(fā)泡劑為十二烷基硫酸三乙醇胺、酵母、蛋清、小蘇打等發(fā)泡劑的一種或多種。

5.如權(quán)利要求1所述的一種大尺寸sic納米線氣凝膠低成本制備方法，其特征在于：步驟1）和2）所述的淀粉、金屬硅粉、發(fā)泡劑、水和分散劑的質(zhì)量比為100：5~20:0.5~10:80~130:0.02~1。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種大尺寸SiC納米線氣凝膠的低成本制備方法，其以綠色廉價(jià)的淀粉為碳源、金屬硅為硅源，水為溶劑、加入適量發(fā)泡劑，經(jīng)過溶膠、發(fā)泡、凝膠固化、碳化、原位反應(yīng)生成SiC納米線，納米線交織互聯(lián)后得到SiC納米線氣凝膠。淀粉溶解在水中形成溶膠后，經(jīng)凝膠固化和碳化后形成的大尺寸、高孔隙率多孔碳坯體，為硅碳反應(yīng)提供碳源，也為SiC納米線生長提供空間和模板；隨著硅碳反應(yīng)的進(jìn)行，碳網(wǎng)不斷被消耗，同時(shí)SiC納米線大量生成且相互交聯(lián)得到大尺寸SiC納米線氣凝膠。該方法不僅極大降低了制造成本，而且解決了氣凝膠難以制備大尺寸制品的技術(shù)難題，推動SiC納米線氣凝膠在隔熱、催化和過濾等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：王剛;梁鵬鵬;韓建燊;杜鵬輝;袁波;張琪;陳正龍

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2019.10.29

技術(shù)公布日：2019.12.20