一种超长SiC纳米线的连续生产设备及制备方法

一种超长sic纳米线的连续生产设备及制备方法
技术领域
1.本发明涉及一维纳米纤维生长制备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种超长sic纳米线的连续生产设备及制备方法。


背景技术：

2.sic材料具有强度高、硬度大、物理化学性质稳定等特性。被广泛用做磨料，陶瓷烧结炉的承力构件、化学化工中的耐腐蚀，耐磨部件、发动机中的过滤，散热部件等。sic纳米线是由sic晶体组成的一维纳米材料，除了具有sic晶体具有的稳定的物理化学性能外，在光、电、磁和机械等方面的性能都优于sic块体材料，如稳定的场发射性能、超塑性、发光性能、光催化等。被广泛的用于制作纳米相增强复合材料、高频、耐高温、抗辐射、大功率的纳米光电子器件等。
3.随着研究的不断深入，研究者们已经成功发展出多种方法制备出不同结构的sic一维纳米材料。sic一维纳米材料的生长包括成核过程与生长过程。成核过程是在足够高的粒子浓度中，在均相成核作用下原子、分子等结构单元集结形成团簇的过程。生长过程是晶种即均相成核出现的团簇进一步生长形成sic一维纳米材料的过程。目前sic一维纳米材料广泛采用的制备方法主要包括基于气相生长机理、液相生长、模板生长等方法。然而由于sic纳米线生长受到反应原料的限制，导致sic纳米线难以连续稳定生长，从而造成经济损失和生产成本的提高。
4.因此，本领域技术人员亟需提供一种超长sic纳米线的连续生产设备及其制备方法，解决超长sic纳米线连续大规模生产问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供的一种超长sic纳米线的连续生产设备，包括自动下料装置、反应管、加热装置以及sic纳米线收集器；其中，所述自动下料装置设于所述反应管的上方，用于负载并控制混合粉料按预设速率下落，以控制混合粉料的挥发速度；所述反应管的两端分别设有进气管以及出气管，所述进气管以及出气管上分别设有进气阀以及出气阀用于控制预设气体的进出；所述加热装置设于所述反应管内，所述加热装置包括低温加热管以及高温加热管，以在所述反应管内形成500-800℃的低温区以及1200-1500℃的高温区，所述低温区和高温区之间形成过渡区，所述过渡区的温度从800℃的低温到1200℃的高温呈线性梯度变化；所述sic纳米线收集器设于所述高温区内，所述sic纳米线收集器包括多层与反应管内径一致的石墨毡，各层石墨毡具有预设间距地穿插在同一根石墨圆杆上且垂直于气流方向设置，沿着气流方向上的各层石墨毡孔隙率由90%逐渐减小至30%，孔径大小从1-5mm逐渐减少至0.2-1mm，所述石墨毡用于收集挥发粉料气相沉积生长的sic纳米线材料。
6.优选的，所述反应管长度为50-1500mm且直径80-200mm，其中，低温区的长度为50-300mm，高温区的长度为100-500mm，过渡区的长度为50-500mm。
7.优选的，所述低温加热管和高温加热管分别连接温度显示屏，温度显示屏上设有控制旋钮以控制低温区以及高温区的温度。
8.优选的，所述反应管连接抽真空装置，所述进气管以及出气管上分别设有用于测量所经气体流量的气体流量计。
9.优选的，每层石墨毡的厚度为2-10mm，各层石墨毡之间的间距为2-10mm。
10.本发明还提供一种超长sic纳米线的连续制备方法，包括以下步骤：步骤s01、分别称取0.1-3kg 的si粉、0.1-3kg的sio2粉以及0.1-4kg的活性炭颗粒，将称取好的粉料放入球磨罐中进行球磨预设时间后得到混合粉料，并置于自动下料装置内；步骤s02、打开抽真空装置，将反应管抽真空至－0.09～－0.10mpa，然后打开进气阀，通入氩气或氮气使反应管内气压至常压，循环洗气若干次后，打开出气阀，持续通入50-100scmm氩气或氮气，确保反应管内持续处于0.11-0.15 mpa正压的流动状态；步骤s03、打开低温加热管，以5-10℃/min的升温速率将反应管的低温区升温至500-800℃；步骤s04、打开高温加热管，以5-10℃/min的升温速率将反应管的高温区升温至1200-1500℃；步骤s05、调控自动下料装置使得混合粉料以1-10g/min的速率下落至反应管内，维持低温区和高温区各自温度1-5h；步骤s06、将反应管降温至室温，取出sic纳米线收集器中的石墨毡，放入马弗炉中，在500-800℃下氧化1-10h，最后将收集到的超长sic纳米线放入10%浓度的hf酸中清洗5-10h，即可得到超长sic纳米线。
11.优选的，所述步骤s01中，将称取好的粉料放入球磨罐中球磨4-24h，得到35-45目的混合粉料。
12.优选的，所述步骤s02中，通入氩气或氮气的流量随时间呈线性升高，升高速率为5-10ml/min。
13.本发明的技术效果和优点：1、本发明通过自动下料装置控制混合粉料的下落速率，在低温区反应生成sio和co气相，再通过控制送气管道内ar气的质量，气相sio和co在高温区沉积生长，不断地在sic纳米线收集器上生长超长sic纳米线，从而实现sic纳米线材料的连续生产；2、sic纳米线收集器为中采用不同孔隙率和孔径分布的多层石墨毡，为超长sic纳米线提供活性位点，更加充分的在石墨毡中生长的同时，顺利地排出反应废气，使得沉积生长反应持续稳定地进行；3、可通过控制原料的下落速率来控制生成so和co气体量的大小，通过控制氩气和氮气的流速，从而来控制在低温区反应出来的so和co气体流向高温区的速率，随着生长的进行，收集器中第一层的石墨毡已经充分生长了大量sic纳米线，因此需要加大流速，促使sic纳米线在石墨毡内部及随后几层进行的生长；4、本发明中的反应管内设计有相互作用的低温区、过渡区以及高温区，低温区主
要使传输过来的原料不断分解形成so和co气体，过渡区用于维持so和co气体的流动，并使其进行预先反应，高温区使得so和co气体充分反应，形成超长sic纳米线；5、在超长sic纳米线的连续生产设备中，自动下料装置可以调控粉料均匀下落的速率，保证反应原料的持续供应；本发明设备制作简单、成本低且实用性高，能够有效连续生产高产量超长sic纳米线材料；
附图说明
14.图1为本发明中超长sic纳米线的连续生产设备的示意图；图2为本发明中超长sic纳米线的连续生产设备的结构图；图3为本发明中sic纳米线收集器的结构图。
15.其中，100.自动下料装置；200.反应管；210.进气管；220.出气管；211进气阀；221.出气阀；310.低温区；320.高温区；330.温度显示屏；400.sic纳米线收集器；410. 石墨毡；420.石墨圆杆。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.如图1、2所示，本发明提供一种超长sic纳米线的连续生产设备，包括自动下料装置100、反应管200、加热装置以及sic纳米线收集器400。
18.自动下料装置100设于反应管200的上方，用于负载并控制混合粉料按预设速率下落，以控制混合粉料的挥发速度。具体的，自动下料装置100内负载有si粉、sio2粉和活性炭的混合粉料0.1-10kg，通过调控自动下料装置来控制粉料以1-10g/min的速率下落，从而达到控制粉料挥发。
19.在超长sic纳米线的连续生产设备中，自动下料装置可以调控粉料均匀下落的速率，保证反应原料的持续供应。值得说明的是，本发明中的自动下料装置为现有技术，目前现有技术中的可控制混合粉料下降速率的自动下料装置均可应用于本发明中。
20.反应管200的两端分别设有进气管210以及出气管220，进气管210以及出气管220上分别设有进气阀211以及出气阀221用于控制预设气体的进出；同时进气管210以及出气管220上分别设有用于测量并控制所经气体流量的气体流量计。此外，反应管200连接抽真空装置，可根据需要对反应管进行抽真空。
21.加热装置（图中未示出）设于反应管200内，加热装置包括低温加热管以及高温加热管，以在反应管200内形成500-800℃的低温区310以及1200-1500℃的高温区320，低温区310和高温区320之间形成过渡区，过渡区的温度从800℃的低温到1200℃的高温呈线性梯度变化。反应管内设计有相互作用的低温区310、过渡区以及高温区320，低温区310主要使传输过来的原料不断分解形成so和co气体，过渡区用于维持so和co气体的流动，并使其进行预先反应，高温区320使得so和co气体充分反应，形成超长sic纳米线。
22.其中，反应管200长度优选为50-1500mm且直径80-200mm，其中，低温区310的长度优选为50-300mm，高温区320的长度优选为100-500mm，过渡区的长度优选为50-500mm。
23.低温加热管和高温加热管分别连接温度显示屏330，温度显示屏330上设有控制旋钮以控制低温区310以及高温区320的温度。
24.如图3所示，sic纳米线收集器400设于高温区320内， sic纳米线收集器400包括多层与反应管内径一致的石墨毡410，各层石墨毡410具有预设间距地穿插在同一根石墨圆杆420上且垂直于气流方向设置，沿着气流方向上的各层石墨毡410孔隙率由90%逐渐减小至30%，孔径大小从1-5mm逐渐减少至0.2-1mm，石墨毡410用于收集挥发粉料气相沉积生长的sic纳米线材料。
25.sic纳米线收集器400为中采用不同孔隙率和孔径分布的多层石墨毡，为超长sic纳米线提供活性位点，更加充分的在石墨毡中生长的同时，顺利地排出反应废气，使得沉积生长反应持续稳定地进行。
26.此外，本发明还提供一种超长sic纳米线的连续制备方法，包括以下步骤：步骤s01、分别称取0.1-3kg 的si粉、0.1-3kg的sio2粉以及0.1-4kg的活性炭颗粒，将称取好的粉料放入球磨罐中进行球磨预设时间后得到混合粉料，并置于自动下料装置内；步骤s02、打开抽真空装置，将反应管抽真空至－0.09～－0.10mpa，然后打开进气阀，通入氩气或氮气使反应管内气压至常压，循环洗气若干次后，打开出气阀，持续通入50-100scmm氩气或氮气，确保反应管内持续处于0.11-0.15 mpa正压的流动状态；步骤s03、打开低温加热管，以5-10℃/min的升温速率将反应管的低温区升温至500-800℃；步骤s04、打开高温加热管，以5-10℃/min的升温速率将反应管的高温区升温至1200-1500℃；步骤s05、调控自动下料装置使得混合粉料以1-10g/min的速率下落至反应管内，维持低温区和高温区各自温度1-5h；步骤s06、将反应管降温至室温，取出sic纳米线收集器中的石墨毡，放入马弗炉中，在500-800℃下氧化1-10h，最后将收集到的超长sic纳米线放入10%浓度的hf酸中清洗5-10h，即可得到超长sic纳米线。
27.本发明通过自动下料装置控制混合粉料的下落速率，在低温区反应生成sio和co气相，再通过控制送气管道内ar气的质量，气相sio和co在高温区沉积生长，不断地在sic纳米线收集器上生长超长sic纳米线，从而实现sic纳米线材料的连续生产。
28.实施例一本实施例中的超长sic纳米线的连续生产设备与上述设备一致，在此不再赘述，本实施例还提供一种超长sic纳米线的制备方法，包括以下步骤：步骤s01、分别称取2kg 的si粉、2kg 的sio2粉以及3kg的活性炭颗粒，将称取好的粉料放入球磨罐中放入球磨罐中球磨15h，得到40目左右的混合粉料，并置于自动下料装置内；步骤s02、打开抽真空装置，将反应管抽真空至－0.09mpa，然后打开进气阀，通入氩气或氮气使反应管内气压至常压，循环洗气3次后，打开出气阀，持续通入50scmm氩气或
氮气，确保反应管内持续处于0.11 mpa正压的流动状态；步骤s03、打开低温加热管，以5℃/min的升温速率将反应管的低温区升温至500℃；步骤s04、打开高温加热管，以5℃/min的升温速率将反应管的高温区升温至1200℃；步骤s05、调控自动下料装置使得混合粉料以4g/min的速率下落至反应管内，维持低温区和高温区各自温度3h；步骤s06、将反应管降温至室温，取出sic纳米线收集器中的石墨毡，放入马弗炉中，在500℃下氧化4h，最后将收集到的超长sic纳米线放入10%浓度的hf酸中清洗5h，即可得到超长sic纳米线。
29.实施例二本实施例中的超长sic纳米线的连续生产设备与上述设备一致，在此不再赘述，本实施例还提供一种超长sic纳米线的制备方法，包括以下步骤：步骤s01、分别称取3kg 的si粉、3kg 的sio2粉以及4kg的活性炭颗粒，将称取好的粉料放入球磨罐中放入球磨罐中球磨24h，得到40目左右的混合粉料，并置于自动下料装置内；步骤s02、打开抽真空装置，将反应管抽真空至－0.10mpa，然后打开进气阀，通入氩气或氮气使反应管内气压至常压，循环洗气4次后，打开出气阀，持续通入100scmm氩气或氮气，确保反应管内持续处于0.15 mpa正压的流动状态；步骤s03、打开低温加热管，以7℃/min的升温速率将反应管的低温区升温至800℃；步骤s04、打开高温加热管，以10℃/min的升温速率将反应管的高温区升温至1500℃；步骤s05、调控自动下料装置使得混合粉料以10g/min的速率下落至反应管内，维持低温区和高温区各自温度5h；步骤s06、将反应管降温至室温，取出sic纳米线收集器中的石墨毡，放入马弗炉中，在800℃下氧化10h，最后将收集到的超长sic纳米线放入10%浓度的hf酸中清洗10h，即可得到超长sic纳米线。
30.实施例三步骤s01、分别称取1kg 的si粉、1kg 的sio2粉以及2kg的活性炭颗粒，将称取好的粉料放入球磨罐中球磨4h，得到45目左右的混合粉料，并置于自动下料装置内；步骤s02、打开抽真空装置，将反应管抽真空至－0.09mpa，然后打开进气阀，通入氩气或氮气使反应管内气压至常压，循环洗气若干次后，打开出气阀，持续通入80scmm氩气或氮气，确保反应管内持续处于0.13 mpa正压的流动状态；步骤s03、打开低温加热管，以10℃/min的升温速率将反应管的低温区升温至650℃；步骤s04、打开高温加热管，以10℃/min的升温速率将反应管的高温区升温至1400℃；步骤s05、调控自动下料装置使得混合粉料以7g/min的速率下落至反应管内，维持
低温区和高温区各自温度3h；步骤s06、将反应管降温至室温，取出sic纳米线收集器中的石墨毡，放入马弗炉中，在650℃下氧化6h，最后将收集到的超长sic纳米线放入10%浓度的hf酸中清洗7h，即可得到超长sic纳米线。
31.综上所述，本发明提供一种超长sic纳米线的连续生产设备及其制备方法，解决超长sic纳米线大规模生产问题。
32.最后，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超长sic纳米线的连续生产设备，其特征在于，包括自动下料装置、反应管、加热装置以及sic纳米线收集器；其中，所述自动下料装置设于所述反应管的上方，用于负载并控制混合粉料按预设速率下落，以控制混合粉料的挥发速度；所述反应管的两端分别设有进气管以及出气管，所述进气管以及出气管上分别设有进气阀以及出气阀用于控制预设气体的进出；所述加热装置设于所述反应管内，所述加热装置包括低温加热管以及高温加热管，以在所述反应管内形成500-800℃的低温区以及1200-1500℃的高温区，所述低温区和高温区之间形成过渡区，所述过渡区的温度从800℃的低温到1200℃的高温呈线性梯度变化；所述sic纳米线收集器设于所述高温区内，所述sic纳米线收集器包括多层与反应管内径一致的石墨毡，各层石墨毡具有预设间距地穿插在同一根石墨圆杆上且垂直于气流方向设置，沿着气流方向上的各层石墨毡孔隙率由90%逐渐减小至30%，孔径大小从1-5mm逐渐减少至0.2-1mm，所述石墨毡用于收集挥发粉料气相沉积生长的sic纳米线材料。2.根据权利要求1所述的超长sic纳米线的连续生产设备，其特征在于，所述反应管长度为50-1500mm且直径80-200mm，其中，低温区的长度为50-300mm，高温区的长度为100-500mm，过渡区的长度为50-500mm。3.根据权利要求1所述的超长sic纳米线的连续生产设备，其特征在于，所述低温加热管和高温加热管分别连接温度显示屏，温度显示屏上设有控制旋钮以控制低温区以及高温区的温度。4.根据权利要求1所述的超长sic纳米线的连续生产设备，其特征在于，所述反应管连接抽真空装置，所述进气管以及出气管上分别设有用于测量所经气体流量的气体流量计。5.根据权利要求1所述的超长sic纳米线的连续生产设备，其特征在于，每层石墨毡的厚度为2-10mm，各层石墨毡之间的间距为2-10mm。6.一种采用如权利要求1-5任一所述的超长sic纳米线的连续生产设备的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s01、分别称取0.1-3kg 的si粉、0.1-3kg 的sio2粉以及0.1-4kg的活性炭颗粒，将称取好的粉料放入球磨罐中进行球磨预设时间后得到混合粉料，并置于自动下料装置内；步骤s02、打开抽真空装置，将反应管抽真空至－0.09～－0.10mpa，然后打开进气阀，通入氩气或氮气使反应管内气压至常压，循环洗气若干次后，打开出气阀，持续通入50-100scmm氩气或氮气，确保反应管内持续处于0.11-0.15 mpa正压的流动状态；步骤s03、打开低温加热管，以5-10℃/min的升温速率将反应管的低温区升温至500-800℃；步骤s04、打开高温加热管，以5-10℃/min的升温速率将反应管的高温区升温至1200-1500℃；步骤s05、调控自动下料装置使得混合粉料以1-10g/min的速率下落至反应管内，维持低温区和高温区各自温度1-5h；步骤s06、将反应管降温至室温，取出sic纳米线收集器中的石墨毡，放入马弗炉中，在500-800℃下氧化1-10h，最后将收集到的超长sic纳米线放入10%浓度的hf酸中清洗5-10h，即可得到超长sic纳米线。
7.根据权利要求6所述的超长sic纳米线的连续制备方法，其特征在于，所述步骤s01中，将称取好的粉料放入球磨罐中球磨4-24h，得到35-45目的混合粉料。8.根据权利要求6所述的超长sic纳米线的连续制备方法，其特征在于，所述步骤s02中，通入氩气或氮气的流量随时间呈线性升高，升高速率为5-10ml/min。

技术总结
本发明公开了一种超长SiC纳米线的连续生产设备及制备方法，包括自动下料装置、反应管、加热装置以及SiC纳米线收集器；其中，自动下料装置用于负载并控制混合粉料按预设速率下落，以控制混合粉料的挥发速度；反应管的两端分别设有进气管以及出气管；加热装置包括低温加热管以及高温加热管，以在反应管内形成500-800℃的低温区以及1200-1500℃的高温区；SiC纳米线收集器用于收集挥发粉料气相沉积生长的SiC纳米线材料。本发明通过自动下料装置控制混合粉料的下落速率，在低温区反应生成SiO和CO气相，再通过控制反应管内Ar气的通入量，气相SiO和CO可在高温区连续沉积生长SiC纳米线，不断地在SiC纳米线收集器上生长超长SiC纳米线，从而实现SiC纳米线材料的连续生产。而实现SiC纳米线材料的连续生产。而实现SiC纳米线材料的连续生产。


技术研发人员：汪洋 窦强 杨建 李权
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/6