CN105565319A - 一种基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法与应用 - Google Patents

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周宇航
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侯思民
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Abstract

本发明公开了一种基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法与应用,所述方法为:将SiC纳米线放置到空气烧结炉或可以直接在空气中加热的装置中,直接在空气气氛中加热,由室温加热至700~1400℃,控制加热速率为5~20℃/min,保温时间为5~120min,即可得到表面改性后的SiC纳米线。表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料,芯部为SiC,外层为SiO2,SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层,界面处的结合为原子尺度的紧密结合,外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。本发明解决了现有碳化硅纳米线在使用过程中的活性低、难分散、易氧化、界面结合差等问题,具有制备工艺简单、节能环保、易控制、成本低、产率高的优点。

Description

一种基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法与应用
技术领域
本发明涉及一种一维纳米材料的表面改性方法与应用。
背景技术
SiC纳米线,既具有优异力学性能,又具有非常优异的光电性能,在航天航空、半导体器件、生物医药等领域都拥有广泛的应用前景。然而,SiC与大多数金属、陶瓷和高分子材料都存在着较为严重的界面不相容性,导致基体与SiC增强体之间的结合力不强,降低了SiC增强复合材料的力学性能,而且随着SiC含量的增多这种对性能的影响会加剧。
SiC纳米线,已经被研究了二十多年,但尚未能得到实际应用。制约其应用的主要原因之一就是SiC纳米线的表面问题。与普通的SiC材料一样,SiC纳米线在复合材料时普遍存在难以分散、润湿性差、界面结合差等问题,往往无法有效发挥增强增韧的作用,甚至还会导致复合材料力学性能大幅下降。此外,SiC纳米线在高温条件下使用,容易被空气中的氧气氧化,降低碳化硅材料固有的耐高温特性。因此,若能将SiC表面改性,在SiC表面形成一层与SiC纳米线紧密结合的致密的SiO2保护层,那将会有效解决纳米线的表面界面和抗氧化问题,为SiC纳米线在复合材料、高温环境及作为功能材料等领域的应用提供进一步的可能。
所以,对SiC纳米进行表面改性,是解决其应用瓶颈问题的突破口和有效办法,也是促进SiC纳米线实际应用的关键科学技术,具有重要的科学价值和实用价值。但是,有关SiC纳米的表面改性工作尚未见报道。
发明内容
为了解决现有碳化硅纳米线在使用过程中的表面活性低、界面结合差、难分散、易氧化等问题,本发明提供了一种基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法与应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,包括如下步骤:
将SiC纳米线放置到空气烧结炉或可以直接在空气中加热的装置中,直接在空气气氛中加热,由室温加热至700~1400℃,控制加热速率为5~20℃/min,保温时间为5~120min,即可得到表面改性后的SiC纳米线,其为核壳结构的一维纳米材料,芯部为SiC,外层为SiO2,SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层,其中SiO2包覆层为非晶态,界面处的结合为原子尺度的紧密结合,根据改性前SiC纳米线的直径尺度,外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。
本发明中的表面改性的SiC纳米线”可以但并不限于如下应用:(1)易于分散、与基体材料形成良好的界面结合,可以广泛用作金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料的增强体,具有更好的增强增韧效果。(2)生物医用材料的支架、载体和联接材料。(3)光电纳米元器件,纳米场发射晶体管、激光器。(4)在高温、高频、高功率和辐照等恶劣或极端工作环境下使用。
根据SiC+2O2=SiO2+CO2的化学反应方程式可知,SiC纳米线在设定温度下可以与O2发生反应,本发明通过控制温度和气氛条件,让O2分子将SiC纳米线表面的SiC分子“一层一层”(LayerbyLayer)氧化——生成致密的SiO2。因为SiO2是因纳米线上SiC分子中的C由O原子取代(替换)而产生,所以只要通过控制反应温度和氧气供给量即可在SiC纳米线外表形成一层致密的SiO2保护层(一维纳米SiCSiO2核壳结构材料),从而实现对SiC纳米线的表面改性。同时,只要简单的操作,控制温度和反应时间,就能实现对SiO2外壳层的控制。
本发明具有如下优点:
1、本发明可以在SiC纳米线表面形成一层致密的SiO2防护层,改性后的SiC纳米线具有优良的表面均匀性、界面结合效果优异,在航空航天、增强复合材料、生物医用、半导体器件以及抗氧化防腐蚀等领域拥有广阔的应用前景。
2、本发明具有制备工艺简单、节能环保、易控制、成本低、产率高的优点。
附图说明
图1是未经处理的原始SiC纳米线的TEM(透射电子显微镜)照片及其SAED(选区电子衍射)分析;
图2是未经处理的原始SiC纳米线的HRTEM(高分辨透射电子显微镜)照片;
图3是SiC纳米线表面改性处理后典型的TEM(透射电镜)照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一:本实施方式提供的对SiC纳米进行表面改性方法是通过以下步骤实现的:
将SiC纳米线放置到烧结炉或可以直接在空气条件下加热的装置中,由室温加热至700~1400℃,控制加热速率为5~20℃/min,保温时间为5~120min,即可得到表面改性后的SiC纳米线。经过表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料,芯部为SiC、外层为SiO2,SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层,其中SiO2包覆层为非晶态,界面处的结合为原子尺度的紧密结合。根据改性前SiC纳米线的直径尺度,外部的SiO2包覆层厚度可以控制为2nm~500nm。
由图1可知,碳化硅纳米线平直光滑,物相为立方碳化硅,即3C-SiC,图2进一步验证了SiC纳米线物相为立方碳化硅,即3C-SiC;图3表明经过表面改性处理后的纳米线形成了“核壳结构”,即让内部的SiC纳米线包覆了一层非晶态的保护层。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是,SiO2层厚度为10~200nm。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一、二不同的是,SiO2层厚度为10~100nm。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一~三不同的是,加热温度为800~1200℃,加热速率为5~10℃/min,保温时间为30~60min。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一~四不同的是,加热温度为800~1200℃,保温时间为30min。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一~五不同的是,以10℃/min的升温速率加热到900~1150℃,保温30min。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一~六不同的是,以10℃/min的升温速率加热到1000~1050℃。
具体实施方式八:本实施方式提供的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法是通过以下步骤实现的:
将SiC纳米线放置到空气烧结炉中,直接在空气气氛中加热,由室温加热至1000℃,控制加热速率为10℃/min,保温时间为20min,即可得到表面改性后的SiC纳米线。经过表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料,芯部为SiC、外层为SiO2,SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层,其中界面处的结合为原子尺度的紧密结合,外部的SiO2包覆层厚度可以控制为50nm。

Claims (10)

1.一种基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述方法步骤如下:
将SiC纳米线放置到空气烧结炉或可以直接在空气中加热的装置中,直接在空气气氛中加热,由室温加热至700~1400℃,控制加热速率为5~20℃/min,保温时间为5~120min,即可得到表面改性后的SiC纳米线。
2.根据权利要求1所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述表面改性后的SiC纳米线为核壳结构的一维纳米材料,芯部为SiC,外层为SiO2,SiO2紧密包覆在SiC外面形成致密的包覆层,其中SiO2包覆层为非晶态,界面处的结合为原子尺度的紧密结合,SiO2包覆层厚度控制为2nm~500nm。
3.根据权利要求2所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述SiO2包覆层厚度控制为10~200nm。
4.根据权利要求2所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述SiO2包覆层厚度控制为10~100nm。
5.根据权利要求1所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述加热温度为800~1200℃,加热速率为5~10℃/min,保温时间为30~60min。
6.根据权利要求1所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述加热温度为800~1200℃,保温时间为30min。
7.根据权利要求1所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述加热温度为900~1150℃,加热速率为10℃/min,保温时间为30min。
8.根据权利要求1所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述加热温度为1000~1050℃,加热速率为10℃/min。
9.根据权利要求1所述的基于空气热氧化对SiC纳米线进行表面改性的方法,其特征在于所述加热温度为1000℃,加热速率为10℃/min,保温时间为30min。
10.一种权利要求1-9任一权利要求所述方法制备的表面改性的SiC纳米线可应用于以下方面:(1)金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料的增强体;(2)生物医用材料的支架、载体和联接材料;(3)光电纳米元器件、纳米场发射晶体管、激光器;(4)在高温、高频、高功率和辐照恶劣或极端工作环境下。
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