準一維SiC和Si3N4納米材料的合成與表征.pdf

1、準一維SiC和Si3N4納米材料普遍具有優(yōu)異的力學性能、光學性能和電學性能，在復合材料增強體和納米元器件等領域都有著廣泛的應用前景。然而，現(xiàn)有的工藝方法難以實現(xiàn)結構控制與高產(chǎn)率制備，嚴重制約著它們的研究和應用。因此，準一維SiC和Si3N4納米材料的可控生長與高產(chǎn)率制備，是亟待解決的瓶頸問題。本文從反應熱力學與動力學出發(fā)，對準一維SiC和Si3N4納米材料進行設計，首先合成出非晶態(tài)SiO2/C納米復合粉體作為前驅(qū)體原料，然后分別在Ar和

2、N2氣氛中進行熱處理，成功實現(xiàn)了具有不同結構的準一維SiC和Si3N4納米材料的可控生長與高產(chǎn)率制備。
　　針對一般原料轉化率較低的問題，設計并合成出一種高效的新型原料。選用硅溶膠和蔗糖為原料，經(jīng)過溶膠凝膠和熱分解工藝獲得黑色的非晶態(tài)SiO2/C納米復合粉體。其中，納米復合粉體的顆粒為30～50nm，具有碳包覆二氧化硅的納米結構。非晶態(tài)SiO2/C納米復合粉體在1109℃時即開始發(fā)生碳熱還原反應，1290℃時反應放出大量的SiO和

3、CO氣體，熱處理溫度比熱力學的計算值降低至少300℃。在不引入任何添加劑的情況下，將SiO2/C粉末直接置于Ar氣氛中進行熱處理，熱處理溫度為1200℃時生長出SiC納米線；將粉體直接在N2氣氛中熱處理，1300℃時生長出Si3N4納米纖維。SiO2/C粉末具有較高的反應活性，是合成準一維SiC和Si3N4納米材料的理想前驅(qū)體。
　　在Ar氣氛中對前驅(qū)體進行熱處理制備準一維SiC納米材料，系統(tǒng)地研究其生長規(guī)律，并對各種結構進行表征

4、。當初始Ar壓強0.1~0.5MPa，在1200～1550℃溫度區(qū)間內(nèi)對非晶態(tài)SiO2/C納米復合粉體直接熱處理，然后緩慢降溫，即可獲得平直的SiC納米線。納米線的生長具有如下規(guī)律：SiC納米線的直徑受Ar氣壓強的影響較大，氣壓越高納米線的直徑越小，直徑可以在50～1000nm的范圍內(nèi)進行控制；SiC納米線的長度受熱處理溫度和時間的影響較大，隨著溫度的升高和時間的延長納米線的長度增加，長度可以在幾微米至幾厘米的范圍進行控制；SiC納米線

5、的產(chǎn)率受到SiO2/C粉末配比和熱處理溫度的影響較大，SiO2/C粉末中C:Si比和溫度的提高均有利于產(chǎn)率的提高。當初始Ar壓強為0.3MPa，在1550℃對C與Si的摩爾比為3:1的SiO2/C粉末進行熱處理并保溫4h時，SiC納米線可以形成無紡布，納米線的平均直徑為100～120nm、長度可達幾個厘米。SiC納米線具有良好的發(fā)光性能，可在246nm至595nm的波長范圍內(nèi)發(fā)射熒光；納米線的電導率為0.141S·cm-1，明顯優(yōu)于碳化

6、硅塊體材料；單根納米線的拉伸強度最高可達31GPa。
　　當初始Ar壓強0.5～1.0MPa，在1650～1800℃溫度區(qū)間內(nèi)對非晶態(tài)SiO2/C納米復合粉體直接熱處理可獲得具有串狀結構的SiC納米線。串狀結構為β-SiC單晶，中心桿（或線）的直徑50～150nm，外圍的串直徑100～500nm，長度分布在幾十微米至幾個毫米范圍內(nèi)。在氣氛濃度較大的環(huán)境中，氣相生長出的SiC納米線帶有大量的層錯缺陷，這些缺陷位置利于SiC晶體的外延

7、生長，從而在納米線上生長出SiC晶片，自組裝生長成獨特的串狀結構。通過控制熱處理溫度和Ar壓強，實現(xiàn)對串狀結構SiC納米線的生長進行控制。
　　當初始Ar壓強0.2~0.5MPa，在1450～1600℃溫度區(qū)間內(nèi)對非晶態(tài)SiO2/C納米復合粉體直接熱處理然后快速降溫可獲得伴有球狀結構的SiC納米線，呈現(xiàn)珍珠項鏈狀的形貌，納米線的直徑80～100nm、長度可達幾個毫米，小球的直徑主要分布在1~10m。當氣相中存有較多未反應的SiO和

8、CO氣體情況下開始降溫，SiO和CO氣體容易在氣氛壓力和表面張力的共同作用下沉積到納米線上并形成小球，從而自組裝成為具有球狀結構的SiC納米線。通過調(diào)節(jié)熱處理溫度、反應時間、降溫速率和Ar壓強，可實現(xiàn)對伴生球狀結構的SiC納米線的可控生長。
　　在N2氣氛中對前驅(qū)體進行熱處理制備準一維Si3N4納米材料，系統(tǒng)地研究其生長規(guī)律，并對各種結構進行表征。當初始N2壓強為0.2~1.0MPa，在1400～1600℃溫度區(qū)間內(nèi)對非晶態(tài)SiO

9、2/C納米復合粉體直接熱處理可獲得Si3N4納米纖維。Si3N4納米纖維的生長，可以通過熱處理溫度、保溫時間和N2壓強來進行控制。隨著溫度升高和保溫時間延長，Si3N4納米纖維由線狀向帶狀過渡，且納米帶的尺寸逐漸增大；隨著N2壓強的增大，Si3N4納米纖維的尺寸也逐漸增大。當初始氮氣壓力為0.2MPa，對C與Si的摩爾比為4:1的SiO2/C粉末進行熱處理并保溫4h時，可以得到高產(chǎn)率的無紡布狀a-Si3N4納米帶，帶寬150～300nm