一维碳化硅纳米材料的制备与表征.pdf
54 6G纳米材料结构评价与表征一维碳化硅纳米材料的制备与表征.郝稚娟阅靳国强郭向云哪(中科院山西谋炭化学研究所煤转化重点实验室太原03000 1中国科学院研究生院北京10 00 39)Sy nthe sisa nd C ha r a cte rizationofOne-Dim ension alSiliC0 nCarbld sNa n 0l l比ater ialsHa C 浑a j ua俨Ji nGu e qian扩Gu oX iangyun甲(StateK即肠加rat卿ofo羌I C冶nv er sion,In stituteofG卫lC he mist珊,Ta iyu a n,03000 1;Gra du ateS chc oloftheC hine s eAc ademyo fS cienc e s,B ei ji吧,100039)摘要以酚醛树脂为碳源,正硅酸乙醋为硅源,以硝酸钥和表面活性剂十六烷墓三甲塞澳化按(CTAB)作为结构调控剂,通过溶胶一凝胶和碳热还原反应制备了具有不同形貌的一维碳化硅纳米材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描 电子 显微镜(S EM)、透射电子显微镜(T EM)和X射线散射能谱(E DX)对所制备 的一维碳化硅纳米材料进行 表征。结果表明,通过此方法所制备的碳化硅纳米纤维均为 件S IC,分别具有直线状、竹节状和链珠状三种不 同形貌。添加剂对于碳化硅纳米纤维的结构起重要作用。关扭词碳化硅纳米纤维溶胶一凝胶碳热还原表面 活性剂硝酸翎闪漪念.的段面沙t一l in e,肠m议介l i kea ndb拍d日S I Cn a nofi晚r sprePa r曰byth e刻一州a ndc a r-比山目翻目r司u et蜘m etl丫d,i nwhieh la ntlla卫lu l nn itr a t ea nds u汀actantCI,A B曰npl o v司a sad-d itlve sf o rstruet以司咖tr ol.T heS I Cna nofib er sch叮aeter i双妇 byXR D,SEM,T EMa ndE DX.1七e洲lt ss比)we dth ata l lth叹n明ofi块r sw e r e件S I Ca ndthea dditive sP lay曰洲户万tantr oleinthes扣山困5Pl t犯e 洛.K仍阴份出S Cfi块rs,刻一州,以肠the r n坦1r e du ct io n,s吐汀act a nt,la ntllanu mn itr at e1引言碳化硅(S IC)具有禁带宽度大、热传导率高、热稳定性强、抗氧化及耐腐蚀等特点,在高温、高频、大功率、抗辐照的半导体器件方面具有广阔的应用前景。同时,它还广泛用于陶.国家自然科学基金(204710 67和20403027),i l J西 省自 然科学基金(2(X)31031)。.作者简介:郝雅娟,女,197 2年生,在读博士;主要从事碳化硅纳米材料制备及应用方面的研究。.通讯联系人:郭向云,侧:035 1一406 52 82;Bl:x龙印骊c c.a c.c n一维破化硅纳 米材料的制备与表征547瓷、金属及聚合物基体复合材料的增强剂。近年来,一维碳化硅纳米材料以其独特的物理及化学性能引起了科学工作者的极大兴趣,成为材料领域的研究热点。目前,不同形貌的一维碳化硅纳米材料,如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米弹簧和同轴纳米电缆等一4已被合成 出来。本文采用溶胶一凝胶和碳热还原方法,通过在溶胶一凝胶过程中添加结构调控剂,制备出直线状、竹节状和链珠状等具有不同形貌的碳化硅纳米纤维。2实验部分2.1一维碳化硅纳米材料的制备直线状碳化硅纳米纤维的制备:称取0.006 kg酚醛树脂,溶于0.o l8 L无水乙醇 中,加人硝酸斓,搅拌使之溶解,然后在不断搅拌下滴加0.02 5L正硅酸乙醋,加人0.00 lL盐酸,形成碳一硅二元溶胶。溶胶凝固后,在11 0下干燥后得 到干凝胶,然后将此干凝胶放人氧化铝管式高温炉中。在氢气保护下,以1 0/mi n的升温速率将炉温升至130 0一 1500,恒温sh。将反应后 的产物在空气中70 0下灼烧3h,除去未反应 的碳,再依次用硝酸和氢氟酸洗脱反应中生成的氧化斓和未反应的二氧化硅,再经洗涤、过滤、干燥,最终得到浅绿色粉末状碳化硅样品。竹节状与链珠状碳化硅纳米纤维的制备同上,不同的是在溶胶制备过程中,竹节状需要加人0.0005kg硝酸斓,而链珠状在加人硝酸钡的同时,还需加人少量的表面活性剂十六烷基三甲基澳化钱(汗AB)。2.2材料表征样品的X射线衍射(X R D)采用日本理学R IG AKUD 刀 竹AX一R B型X射线衍射仪,Cu-氏靶(4 0kV,1 0olllA)。用L E043 8V P型扫描电子显微镜(s EM)和JEOL 201 0型透射电子显微镜表征碳化硅纳米材料的形貌与结构。3结果与讨论3.1X RD表征F ig.1为三种样品的粉末X射线衍射(XR D)图,从图中可以明显看出,它们均具有较强的衍射峰,分别对应于各s iC的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面。在3 3.6 0处较弱的衍射 峰可能是由于堆积缺陷所致5。直线状(2子0)n之云su。工u(2(X)竹节状/链珠状(3 11)(222)3.2s EM 和飞EM表征40506()7 080GF ig.2为样品的扫描电镜照片,可以看到直线状 的长 度为几 十微 米,竹 节状的长度为几 十到上百微米,而链珠 状 的2 夕/(“)XRIP at te r no fS I Cna noli悦r s11 几、J 一21e s.e ee se ee e w elL 引l J l l钊.J V I l l.了工F548G纳米材料结构评价与表征长度仅为几个到十几微米。Fig.2S EMlma ge so fSC瓜川o l 玉比rsa一s tr a lght一l in e;b一b如坟盼l i ke;一晚日d曰硼沈抽访纯.3分别为三种样品对应的透射电镜照片,可以清晰地看到,三种纤维分别具有直线状、竹节状和链珠状结构。直线状碳化硅 的表面光滑,直径约为5 0一7 0n l n。竹节状碳化硅具有明显 的节一杆结构,直径为lo or u n左右。而链珠状碳化硅具有周期性的珠一链结构,直径也呈周期性变化。F ig.3TEMima ge so fS I Cn a n ol i晚r sa一史日嗯h t一h ne;b一加m 氏。l ik e一b班d司,切n o c腼n3.3反应机理为了研究竹节状和链珠状碳化硅纳米纤维的反应机理,对未经除碳和酸洗的样品进行SEM观察和E DX分析,结果发现,在没有经过处理的纳米纤维顶端可看到球形合金液滴。EDX对其进行分析显示,该球形 液滴包含碳、硅、氧及翎,说明竹节状和链珠状碳化硅纳米纤维的生长亦遵循V-LS机理。4结论本文采用溶胶一凝胶和碳热还原方法,通过添加金属和表面活性剂作为结构调控剂,制备了直线状、竹节状和链珠状等具有不同结构与形貌的一维碳化硅纳米材料。研究表明,金属催化剂和表面活性剂对碳化硅的结构起到了重要影响。葱一维破化硅纳米材料的制备与表征549Ref e代nC韶压iH,WongEW,L iuYZ,eta l.s,the sisa ndeh时a ete n z ati o no f以甘biden a no l 仓如.Nat二,19 95,375:7 69一77 1JinGQ,Lia ngP,C泊0X Y.Novelm etl义df o rs”the s iso fs ilic o nc a rb i den a n o w ir e s小Mate r.段i抉tt,20()3,2 2:767一 7702 1拍ngD明11堪,周日lahA I址以以如,H巨IH 戏卵d,e ta l.驯二倒心de诩以到冲ng,N血幻1上tt.,2(X)3,3:983 一9 87Zh imgLD.M即9GW,Phill ip pF.S”the sis a ndeha raeter iZ ati o no f阴dn a nO C able s,Mate r黝Eng.A20(M,28 6:34一38V i jayV,Pu ja r,JD公wley.Effe cto fa t由n gfa ultso nth eX-r ayd iff花eti o npt olile s o f各S I C印wder s,J.儿1 1.公翔n.5义,78:7 74一78 2月J4毓
