SiC纳米材料的制备与应用研究现状

安徽科技学院2014-2015学年第2学期《纳米材料合成技术》课程论文学院：化学与材料工稈班级：无机非金属材料工稈12级卓越班学号：1882120129姓名：周可可授课教师：李子荣成绩：论文摘要：本文根据SiC纳米材料的尺寸不同，分别介绍了其零维和一维纳米材料的制备与应用进展。零维SiC纳米材料即SiC纳米微粉，主要是通过激光诱导化学气相沉积法（LICVD）、通电加热蒸发法、聚合物热分解法制取得到。由于该粉末具有优良的力学性能、电性能和热导率，作为结构材料广泛应用于集成电路的基片和封装材料等。一维SiC纳米材料主要是通过模板法、激光烧蚀法、加热蒸发法和碳热还原法制取而来。由于该一维材料具有一定的耐磨、耐腐蚀以及低密度、高强度的优良特性，可应用于发动机改装器、高性能雷达天线材料和红外整流罩等。教师评语：SiC纳米材料的制备与应用研究现状摘要：本文根据Sic纳米材料的尺寸不同，分别介绍了其零维和一维纳米材料的制备与应用进展。零维SiC纳米材料即SiC纳米微粉，主要是通过激光诱导化学气相沉积法（LICVD）、通电加热蒸发法、聚合物热分解法制取得到。由于该粉末具有优良的力学性能、电性能和热导率，作为结构材料广泛应用于集成电路的基片和封装材料等。一维SiC纳米材料主要是通过模板法、激光烧蚀法、加热蒸发法和碳热还原法制取而来。由于该一维材料具有一定的耐磨、耐腐蚀以及低密度、高强度的优良特性，可应用于发动机改装器、高性能雷达天线材料和红外整流罩等。关键词：SiC；纳米材料；制备、应用0引言SiC具有低密度、高强度、高弹性模量、高抗氧化性以及优异的耐磨性和耐腐蚀性，广泛应用于航空、航天、能源、化工和环保等众多领域1］。同时，SiC作为第三代半导体材料，有高临界击穿电压、高热导率、宽带隙等良好的性质，使其成为制造高频、大功率、抗辐射、耐高温的半导体器件及长波发光二极管等等的理想材料［2］。但传统SiC材料自身的缺陷（如易脆性）使其无法满足目前这个社会的现代科技的苛刻要求。纳米技术的诞生为SiC纳米材料的制备开辟了一条崭新的路径和新的制备征程。SiC纳米微粉，是指颗粒直径为1~100nm之间的SiC颗粒。而且性能更为优异的SiC纳米微粉可以克服SiC传统材料的缺陷，应用也更为广泛和有效性［3］。一维的SiC纳米材料除了具有其块体材料的性质之外，还具有其他以下特性：（1）十分优异的力学性能，具有较高的弹性和强度，是一种优良的补强增韧添加剂，已被用于陶瓷、聚合物和金属等的增强材料应用；（2）特殊的光学性能，可清晰地观察到室温下的某些发光特性，因此在光电子器件领域中拥有不错的应用前景；（3）优良场发射特性，且其阈值场强不高，但电流密度较强，且高温下较为稳定，可以作为发射电磁场的电极物质。（4）高效的光催化特性，可用于废水处理系统的光催化及提高太阳光的利用率方面等［4］。而本文介绍了SiC的零维和一维纳米材料的制备方法及应用进展。零维SiC纳米材料即SiC纳米微粉，主要从激光诱导气相沉积技术（LICVD）、通电加热蒸发法、聚合物（螯合物）热分解法来阐述其制备过程。在应用方面，由于该粉末具有优良的力学性能、电性能以及热导率，因此为实现其所能发挥的最大优势，其可以作为作为结构材料，而能够被应用于集成电子电路的基片和封装材料等广大范围。一维SiC纳米材料主要介绍了其是通过模板法（碳纳米管等）、激光烧蚀技术、加热蒸发法和碳热还原法制取而来。在应用发面，由于该一维材料具有一定的耐磨、耐腐蚀，另外，还具有低密度、高强度的优良特性，可应用于航空航天技术方面，比如神舟系列航天器的发动机改装器、雷达上的高性能天线合成的纳米原材料和夜视仪上的红外整流罩等。1SiC纳米材料的制备1.1零维SiC纳米材料的制备1.1.1激光诱导化学气相沉积法（LICVD）激光诱导化学气相沉积法（LICVD）是一种近几年兴起的制备纳米微粉的技术，使用该方案的优点有：粒子大小可以控制、粒度分布均匀，且易制备得到几纳米至几十纳米（nm）的晶态或非晶态纳米颗粒。其基本原理是利用气体分子的激光分解过程（比如红外多光子分解或紫外线光解）、激光高温降解、激光诱导化学方法合成反应等。在一定的工艺流程下，通过控制其激光功率大小、反应池压强、反应参与气体摩尔配比和整体反应温度调节，使其获得产物更为纯化等，此外，此方法还可使其按照一定的程序化成核并生长。通过此种方法制备的纳米材料类型可以是化合物、单质或其他功能、无机复合型材料等纳米粉末。用LICVD法制备的零维SiC纳米材料具有物质表面清洁、粒子尺寸可以方便控制、无粘结情况发生、粒度分布均相等优点，并可制备非晶态的纳米颗粒。通电加热蒸发法［5］通电加热蒸发法是将碳棒与可控金属进行表面接触粘连，然后通电加热使该金属熔化，此金属与高温碳素反应后，蒸发形成碳化物的纳米微粒。当制备SiC纳米微粒时，碳棒和硅板（反应后的蒸发材料）放在一起，在蒸发处充满氦气和氩气等惰性气体。压强设为1〜lOkPa,在碳棒和硅板之间通上几百A的交流电压值，而后者会被它的加热器持续加热起来。随着后者的温度升高，电阻下降，电路会被接通。而当碳棒达到一定的程度时，两者相接触的部位熔化，而当碳棒的温度高于2473K时，在其周围形成了SiC纳米微粒的“烟”然后把这些所谓的“烟”收集起来，就能够获得SiC纳米微粉。聚合物热分解法有机聚合物的高温分解是制取SiC的一种特别方法，且分为两种不同类型的方法。一种类型是加热凝胶态的聚硅氧烷，令其发生分解化学放出单体的化学反应等，最终会形成SiO粉末和C单质，再由碳对该混合物进行碳化还原，就可制得SiC纳米微粉；另一种类型是加热聚碳硅烷或者聚硅烷，当放出单体后生成大框架，最终可得到SiC粉末。谢凯等报道了以低分子LPS（聚碳硅烷）为基本原料，利用气体热裂解的方法制备SiC纳米材料的目前研究现状，并从物理化学中的热力学和动力学的角度详尽地探讨了LPS分解反应的机理，对合成SiC工艺的各种条件、产物的相关性质以及原料中的组成、形貌等的影响进行了更为系统化的讨论，经过大量的比较试验，得出了较佳的工艺条件［6］。1.2一维SiC纳米材料的制备模板法以模板法制备一维SiC纳米材料主要是两种：一种是以现有的一维纳米结构（CNT等）为模板，来制备一维SiC纳米材料；而另一种是以多孔氧化物（多孔SiO2）为模板来制备。（1）一维纳米结构模板法：清华唐等使用以碳纳米管为模板的限制阈值的方法法制备得到SiC纳米线，并对其实验过程的各种反应机理进行了较为详尽的探索研究；Dai等以SiO气体为原基础物质，与掺杂过金属的WCNTs为原料于1300〜1400摄氏度的反应池温度下，制备得到了一维SiC纳米材料，其直径为2~30nm左右，且形状为杆状的棒状固体。研究结果表明：SiC纳米棒的直径与碳纳米管（CNT）及SiO反应生成的CO气体，无法有效的即使从反应釜中被气流带走，流向外面后，会使得环境受到一定程度的破坏；另外一方面来说，如果生成的CO气体不能很快被送出反应釜的话，会导致表面上的外延生长而使得生成的纳米材料较为粗大，该外延生长的材料直径为20〜70nm。激光烧蚀法施等用激光烧蚀的方法在较低的温度下得到了一维SiC纳米线，其研究小组将常见的SiC陶瓷材料放置于三氧化二铝的管式炉中央位置，把浸有硝酸铁的石墨衬底置于炉子的其中一端处，在混有5%氢气的氩气保护下，以每分钟七摄氏度的速率升温至1100摄氏度，同时用脉冲的氟化氩准分子激光仪器作为光源（波长为248nm,能量为400mJ,频率为10Hz）照射SiC陶瓷材料2h,得到直径为20〜70nm,长达50um的SiC纳米晶须。该SiC纳米线外包裹着一层无定型的SiO，纳米线的尖端有球状的Fe纳米颗粒。1.2.3加热蒸发法该方法是指在物理加热蒸发原理的基础上,通过引入具有一定特性的催化剂,然后直接对原材料进行加热,蒸发，积淀下来，以自组装的方式生成准一维纳米SiC材料。此种方法是通过将SiC纳米级粉末和金属催化剂的混合物放于低真空的加热设备中,加热一定时间之后,再进行保温步骤,约几个小时后,得到最红产物。或者是将催化剂直接积淀于SiC衬底之上，然后利用物质具有蒸发原理的过程，使得催化剂也形成纳米颗粒状，在SiC衬底上逐渐成长为SiC纳米晶须，也即一维SiC纳米材料。1.2.4碳热还原法王利群等使用无定型的SiO和石墨为原材料，在1500摄氏度下，保温时长12h，即可得到制直径为50〜80nm、长度甚至可以达到100um的较长SiO/SiC纳米材料。经过扫描电镜和透射电镜的研究分析，我们可以发现所得产物是有两种形貌的情况。分别为同轴和偏心的纳米线。还有一些研究学者利用二氧化碳和木炭为基础原材料采用微波加热的方式，在不加入任何催化剂的前提条件下，在流动的氩气的管状的流动槽中，获得了直线型以及类似于珍珠型的一维SiO2/SiC纳米晶须。该方法较为实惠方便，采用的设备十分简单，不需要大型精密仪器。另外，成本也比较低下，是目前研究比较多的多维纳米材料的制备方法，但该方案产率不理想，形貌控制较为困难[7]。2SiC纳米材料的应用SiC纳米材料在环保方面，可以用于处理苛刻环境的环保系统和部件，以及处理污水所需要的过滤器和洗涤器；在航空方面，因其优越的高耐磨性能等还可用于轴承中、燃烧器电池、燃料系统和阀门以及高温电力辅助构件，比如发动机的上面旋转的所用部件，封盖，保温系统等；在化工方面，可以用于辐射管和燃烧器，同流加热器，燃料喷射器，汽油重整裂化器，耐火材料，阀门等。而SiC晶须以其耐磨、耐腐蚀性以及低密度、高强度等许多优异特性广泛应用于增强金属的韧性，陶瓷基复合材料还可以应用到机械、环保、能源等方面[8]。【参考文献】⑴何恩广，陈德良,张雅杰•新型SiC纳米材料及其应用[J].化工新型材料，2000,28（4）；3-6.[2]杨立文，李翠,蒋秉轩，杨志民.SiC单晶生长热场模拟及其在籽晶固定方面的应用[J].稀有金属,2013,37（1）:76.⑶陈静，一种碳化硅纳米线的合成法[J].淮阴工学院,2006,15（3）：50〜53.陶德良，谢正芳，何农月,碳化硅纳米管的制备及表征[J]•无机材料学报,2006,22（5）.CaoLZ,LiuX,ZhaoJQ,LuHX.Synthesisandphoto-luminesc;enc;eofthebranchingsiliconcarbid