本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法。
背景技术：
新能源汽车的快速发展，因其需要高容量储锂的负极材料来提高锂离子电池的容量来达到长续航里程的目的，现有常规的石墨化负极材料，因其理论嵌锂比容量为376mah/g，而单质纯硅储锂比容量理论为4200mah/g，是现有常规石墨化负极材料的10倍之多，但单质纯硅在锂离子嵌入过程中有300％以上的膨胀系数及材料本身属于半导体材料，导电性能差，用于锂离子电池负极材料时，造成材料容易粉化及倍率性能差的缺点，将单质硅纳米化及提高其导电性能，是解决单质纯硅在锂离子电池负极材料应用中的关键。
碳化硅单晶体因其具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特性，是理想的第三代半导体之一。目前生长碳化硅晶体最有效的方法是物理气相传输(pvt)法，碳化硅粉料是pvt法生长半导体碳化硅单晶的主要原料，而原料的纯度是直接影响生长单晶的结晶质量和电学性质的关键因素。纳米碳化硅应用于高温合金表面纳米复合镀层和航空高性能结构陶瓷时，需要单一晶型的纳米碳化硅。高纯纳米碳化硅也可用于高温合金表面纳米复合镀层、航空发动机的高性能结构陶瓷、吸波涂层、以及高频、大功率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的电子和光电子器件等的制备。
中国发明专利申请cn108557823a公开了一种超纯纳米碳化硅及其制备方法，包括如下步骤：气体反应前驱体的制备：将含碳气体和含硅气体，按si:c摩尔比为1:1.0～1:1.06，混合即得到气体反应前驱体；超纯纳米碳化硅的制备：将气体反应前驱体导入预热后的陶瓷反应器内，气体反应前驱体在陶瓷反应器内的高温区直接合成粒度为50-500nm的纳米碳化硅。一种超纯纳米碳化硅的制备方法，包括如下步骤：将含碳气体和含硅气体分别导入预热后的陶瓷反应器内，进入所述陶瓷反应器内的含碳气体和含硅气体按si:c摩尔比为1:1.0～1:1.06混合；含碳气体和含硅气体陶瓷反应器内的高温区直接合成粒度为50-500nm的纳米碳化硅。其不足之处在于：该专利使用陶瓷容器生产碳化硅，陶瓷容器的压力为1-5个大气压，温度为1100-2200摄氏度，而在高温高压下，陶瓷容器的使用寿命非常短，同时，该专利使用密闭的陶瓷容器制备碳化硅，无法连续高效的生产。
中国发明专利申请cn110255532a公开了一种宏量制备碳硅纳米材料的方法，包括如下步骤：将烃类气体和含硅气体输入到等离子体枪中，在等离子体枪内电离及热分解出碳离子、硅离子和氢离子；分解出的离子或/和反应生成的碳化硅进入冷却容器中，经冷却气体环释放出的冷却气体快速冷却稳定成型，生成碳硅纳米材料。其不足之处在于：将烃类气体和含硅气体输入到等离子体枪中，经等离子体枪內的阴极与阳极区域对烃类气体和含硅气体通过电离及热分解，但经电离分解产生的碳离子和硅离子在高温条件下易同等离子枪内的阴极枪尖耐高温金属合金材料会产生高温化学反应，生成金属碳化物和金属硅化物，如：碳化钨，碳化钼，和硅化钨，硅化钼之类等等的碳、硅金属化合物，污染碳硅复合或/和混合体纳米材料或/和高纯碳化硅纳米材料的纯度，降低了产品的质量，有着一定程度范围内的应用受阻的缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的是提供了一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，实现了碳硅纳米材料的工业化制备，大幅度提高了碳硅纳米材料的纯度。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，包括如下步骤：
(1)将烃类气体和含硅类气体输入到发热体中，在发热体内对含烃类气体和含硅类气体进行热分解，生成碳、硅离子和氢离子，所述发热体采用等离子体弧产生热能；
(2)将分解出的碳、硅离子于发热体内生成高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料；
(3)将生成的高纯碳硅复合或/和混合体纳米材料极速进入第一冷却容器,得到稳定成形纳米尺寸的高纯碳硅材料，第一冷却容器的温度为50-350摄氏度。
(4)将生成的高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料、氢气或含氯气体经第一冷却容器冷却后进入气固分离器，进行气固分离，将所成核生成的高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料留存于气固分离器内部的仓部，经气固分离出的气体经管道后进入第二冷却区域继续冷却循环利用或排空。
上述高纯碳硅复合纳米材料是指碳和硅复合成同一个粒子的碳硅纳米材料，高纯碳硅混合体纳米材料是指碳和硅分别形成碳粒子和硅粒子之后混合在一起的碳硅纳米材料。
上述纳米材料的尺寸为20nm-260nm。
上述等离子弧的温度为5000-22000摄氏度，等离子弧的中心为最高温度，加热后发热体内的温度为500-1300摄氏度。含硅类气体与烃类气体从不同的温度区域进入，含硅类气体进入的区域温度为500-800摄氏度，烃类气体进入的区域温度为800-1300摄氏度。
上述经气固分离出的气体经管道后进入第二次冷却区域冷却循环利用的方式是：将经气固分离出来的气体经管道后进入热交换器继续冷却，将氢气或含氯气体冷却后，形成液点分离，氢气或/和惰性气体输入到气体储蓄罐内，气体储蓄罐的出口经管道及气体流量计连接第一冷却容器或发热体通道内腔。
上述发热体材料为石墨或表面沉积碳化硅涂层材料的石墨或耐高温金属材料。
上述含硅类气体为甲硅烷，二氯甲硅烷，三氯硅烷，四氯化硅，一氯三氢硅烷中的一种或多种，上述的烃类气体为甲烷，乙烷、乙炔、乙烯、丙炔，丙烷，丙烯中的一种或多种，所述烃类气体和含硅类气体的摩尔比为(1％-95％)：(99％-5％)。
上述发热体包括进料通道和热分解及生长通道，所述热分解及生长通道直径与长度之比为1:2-200，所述热分解及生长通道的内外压差为0-99999pa，热分解及生长通道直接连通第一冷却容器。
上述气固分离器内部的仓部含有出料控制阀。
进一步的，将生成的高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料,应用于锂离子电池负极材料或在其外表层进一步包覆着一层碳材料或/和导电材料，应用于锂离子电池的负极材料中。
本发明还提供了另一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，用于制备高纯度碳化硅纳米材料，包括如下步骤：
(1)将烃类气体和含硅类气体输入到发热体中，在发热体内对含烃类气体和含硅类气体进行热分解，生成碳、硅离子和氢离子，所述发热体采用等离子体弧产生热能，所述发热体内的温度为820-1099摄氏度；
(2)将分解出的碳、硅离子于发热体内生成高纯度碳化硅纳米材料；
(3)将生成的高纯碳硅碳化硅纳米材料极速进入第一冷却容器,得到稳定成形纳米尺寸的高纯碳化硅纳米材料。
上述制备高纯度碳化硅纳米材料与上述制备高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料的不同之处仅在于：将含硅类气体和烃类气体同步输送到发热体820-1099摄氏度，用于将热分解产生的碳、硅离子合成为碳化硅。快速进入第一冷却容器成核，达到超细尺寸的纳米碳化硅。
本发明相对于现有技术的有益效果如下：
1、本发明将单质纯硅纳米材料中复合或/和混合碳材料，提高纳米硅的电导率，又同步将纳米硅内部结构继续纳米化切割分离，形成硅中有碳，碳中有硅纵横交叉的优良纳米材料，应用于锂离子电池负极材料中，大幅度提高锂离子电池的循环稳定性能及倍率性能，同时又提高了首次库伦效率近10-20％。
2、本发明采用烃类气体和含硅类气体直接进入由等离子体弧产生热能的发热体进而对气体材料的热分解，大幅度减少了因进入等离子枪内进而对烃类气体和含硅类气体采用电离及热分解，而造成的阴极耐高温合金枪尖材料以及阳极内通道金属材料同碳元素和硅元素的高温热反应而消耗阴极耐高温材料以及阳极材料，对高纯碳硅复合或/和混合体纳米材料或/和碳化硅纳米材料污染，因而降低材料纯度，同时解决了因阴极材料及阳极材料因消耗造成无法长时间连续工作的障碍，大幅度延长了连续工作时间，提高了本申请专利产品纯度，由本申请制备的高纯碳硅纳米材料的纯度可达99.999％-99.99999％。同时降低了制造成本，扩大了应用范围，提高了产品的附价值。
3、本发明采用直接连通第一冷却容器的发热体制备碳硅纳米材料，可以不需要停机出料，进而不间断的长时间连续制备，大大提高了生产的效率。同时，本发明由于采用了无压力容器，大大提高了设备的使用寿命。生成碳化硅时，快速进入第一冷却容器，于50-350摄氏度区间冷却稳定成形，进而不再继续结合生长，所生成的纳米碳化硅尺寸更小。
具体实施方式
通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或者改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
本发明实施例中所用的各种原料和试剂如无特别说明均为市售购买。
实施例1：制备高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料
(1)先将石墨材料的发热体预热到500-1300摄氏度，并通过温度为5000-22000摄氏度的等离子体弧持续加热。将烃类气体如甲烷和含硅类气体如甲硅烷按照摩尔比(1％-95％)：(99％-5％)分别通过发热体的进料通道输入到发热体中，在发热体内对含烃类气体和含硅类气体进行热分解，生成碳、硅离子和氢离子。
(2)分解出的碳、硅离子于发热体内生成高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料。
(3)生成的高纯碳硅复合或/和混合体纳米材料极速进入与发热体直接连通的第一冷却容器,冷却后得到稳定成形纳米尺寸的高纯碳硅材料。
(4)生成的高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料、氢气或含氯气体进入气固分离器，进行气固分离，将所成核生成的高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料留存于气固分离器内部的仓部，仓部设置有出料阀用于定时出料，形成不停机的连续出料。
(5)经气固分离出来的气体经管道后进入热交换器继续冷却，将氢气或含氯气体冷却后，形成液点分离，氢气或/和惰性气体输入到气体储蓄罐内，气体储蓄罐的出口经管道及气体流量计连接第一冷却容器或发热体通道内腔。
(6)将生成的高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料,应用于锂离子电池负极材料或在其外表层进一步包覆着一层碳材料或/和导电材料，应用于锂离子电池的负极材料中。
实施例2：制备高纯度碳化硅纳米材料
(1)采用具有高低温区的石墨材料的发热体，预热到820-1099摄氏度，并通过温度为5000-22000摄氏度的等离子体弧持续加热，将烃类气体甲烷和含硅类气体甲硅烷按照摩尔比1:1通过发热体的进料通道分别输入到发热体中，在发热体内对含烃类气体和含硅类气体进行热分解，生成碳、硅离子和氢离子。
(2)将分解出的碳、硅离子于发热体内生成高纯度碳化硅纳米材料。
(3)生成的高纯碳化硅纳米材料极速进入与发热体直接连通的第一冷却容器,冷却后得到稳定成形纳米尺寸的高纯碳硅材料。
(4)生成的高纯碳化硅纳米材料、氢气或含氯气体进入气固分离器，进行气固分离，将所成核生成的高纯碳化硅纳米材料留存于气固分离器内部的仓部，仓部设置有出料阀用于定时出料，形成不停机的连续出料。
(5)经气固分离出来的气体经管道后进入热交换器继续冷却，将氢气或含氯气体冷却后，形成液点分离，氢气或/和惰性气体输入到气体储蓄罐内，气体储蓄罐的出口经管道及气体流量计连接第一冷却容器或发热体通道内腔。
(6)将生成的高纯碳化硅纳米材料,应用于碳化硅晶体生长原材料。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
1.一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将烃类气体和含硅类气体输入到发热体中，在发热体内对含烃类气体和含硅类气体进行热分解，生成碳、硅离子和氢离子，所述发热体采用等离子体弧产生热能；
(2)将分解出的碳、硅离子于发热体内生成高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料；
(3)将生成的高纯碳硅复合或/和混合体纳米材料极速进入第一冷却容器,得到稳定成形纳米尺寸的高纯碳硅材料。
2.根据权利要求1所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤还包括：
(4)将生成的高纯度碳硅复合或/和混合体纳米材料、氢气或含氯气体经第一冷却容器冷却后进入气固分离器，进行气固分离，将所成核生成的高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料留存于气固分离器内部的仓部，经气固分离出的气体经管道后进入第二冷却区域继续冷却循环利用或排空。
3.根据权利要求2所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，经气固分离出的气体经管道后进入第二次冷却区域冷却循环利用的方式是：将经气固分离出来的气体经管道后进入热交换器继续冷却，将氢气或含氯气体冷却后，形成液点分离，氢气或/和惰性气体输入到气体储蓄罐内，气体储蓄罐的出口经管道及气体流量计连接第一冷却容器或发热体通道内腔。
4.根据权利要求1所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述等离子弧的温度为5000-22000摄氏度，等离子弧的中心为最高温度。
5.根据权利要求1所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述发热体材料为石墨或表面沉积碳化硅涂层材料的石墨或耐高温金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述含硅类气体为甲硅烷，二氯甲硅烷，三氯硅烷，四氯化硅，一氯三氢硅烷中的一种或多种，所述的烃类气体为甲烷，乙烷、乙炔、乙烯、丙炔，丙烷，丙烯中的一种或多种，所述烃类气体和含硅类气体的摩尔比为(1％-95％)：(99％-5％)。
7.根据权利要求1所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述发热体包括进料通道和热分解及生长通道，所述热分解及生长通道直径与长度之比为1:2-200，所述热分解及生长通道的内外压差为0-99999pa，热分解及生长通道直接连通第一冷却容器。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，将生成的高纯度碳硅复合或/和混合纳米材料,应用于锂离子电池负极材料或在其外表层进一步包覆着一层碳材料或/和导电材料，应用于锂离子电池的负极材料中。
9.一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将烃类气体和含硅类气体输入到发热体中，在发热体内对含烃类气体和含硅类气体进行热分解，生成碳、硅离子和氢离子，所述发热体采用等离子体弧产生热能，所述发热体内的温度为820-1099摄氏度；
(2)将分解出的碳、硅离子于发热体内生成高纯度碳化硅纳米材料；
(3)将生成的高纯碳化硅纳米材料极速进入第一冷却容器,得到稳定成形纳米尺寸的高纯碳化硅纳米材料。
10.根据权利要求9所述的一种连续制备高纯碳硅纳米材料的方法，其特征在于，所述含硅类气体为甲硅烷，所述烃类气体为甲烷。
技术总结