CN110950323A - 一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料及其制备方法 - Google Patents

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汪洋
万强
柴攀
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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管‑碳化硅纳米线复合材料，为一维纳米结构，该材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长。该材料的制备方法：将预处理基片放入管式炉中，采用化学气相沉积法在基体上沉积碳纳米管；再采用化学气相沉积法在碳纳米管上沉积碳化硅纳米线，得到碳纳米管‑碳化硅纳米线复合材料。本发明充分利用碳纳米管和碳化硅纳米线在用CVD方式制备时都遵循V‑L‑S生长机制，从而制备出一种全新的一维纳米结构材料，该复合材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长，可以将碳化硅纳米线和碳纳米管的优异性能进行互补，通过控制二者的长度分配而获得需要的导电和导热性能材料，对于新型纳米电子器件的研制具有重要意义。

Description

一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米新材料领域，尤其涉及一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纳米管和碳化硅纳米线都具有优异的力学性能，同时，碳纳米管还具有优异的导电性，但导热性差；而碳化硅纳米线为半导体，导热性能优异，但导电性能较差。因而，它们无法单独应用于新型纳米电子器件中，而如果将碳纳米管和碳化硅纳米线的优点综合起来，研究出一种新型结构的材料，将碳纳米管和碳化硅纳米线的优异性能进行互补，得到高导电、高导热性能的材料，这对于新型纳米电子器件的研制具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，为一维纳米结构，该碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长。
上述的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，优选的，所述碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳纳米管长度为50-150μm，直径为50-500nm，碳化硅纳米线长度为50-150μm，直径为50-500nm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基片进行预处理；
(2)将预处理基片放入管式炉中，采用化学气相沉积法在基体上沉积碳纳米管；
(3)采用化学气相沉积法在步骤(2)后的碳纳米管上沉积碳化硅纳米线，得到碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，化学气相沉积法在基体上沉积碳纳米管的具体参数包括：通入体积比为1:(5～10):(10～20)的丙烯、氢气和氮气，沉积温度为800～1100℃，沉积的时间为3～6h。
上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，采用化学气相沉积法在步骤(2)后的碳纳米管上沉积碳化硅纳米线的具体过程为：停止通入丙烯和氮气，通入三氯甲基硅烷和氩气，其中，H2、Ar和CH3SiCl3的体积为(5～15):(5～15):1，沉积温度为950～1250℃，沉积的时间为3～6h。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，基片的预处理过程是指将基片放入乙醇中进行超声清洗10～30min，室温干燥，再将基片浸泡于硝酸镍溶液中0.5-2h，室温干燥。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明充分利用碳纳米管和碳化硅纳米线在用CVD方式制备时都遵循V-L-S生长机制，从而制备出一种全新的一维纳米结构材料-----碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，该复合材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长，可以将碳化硅纳米线和碳纳米管的优异性能进行互补，通过控制二者的长度分配而获得需要的导电和导热性能材料；同时，该新结构材料对于新型纳米电子器件的研制具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料的结构示意图。
图2是本发明对比例1制备的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，为一维纳米结构，结构示意图如图1所示，该碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长；该碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳纳米管长度为120μm，直径100nm，碳化硅纳米线长度为60μm，直径100nm。
本实施例的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将基片放入乙醇中进行超声清洗10min，室温干燥；
(2)将清洗后的基片浸泡于硝酸镍溶液中1h，室温干燥；
(3)将基片放入管式炉中，通入丙烯、氢气、氮气，体积为1:8:15，时间为5h，温度为1050℃；
(4)停止通入丙烯和氮气，通入三氯甲基硅烷和氩气，H2、Ar和CH3SiCl3体积比为8:7:1，温度为1100℃，时间为3h；
(5)随炉冷却，即在基片表面得到碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料。
本实施例制备的碳纳米管-碳化硅纳米线一维纳米材料长度为180μm，其中，该一维结构材料中碳纳米管长度为120μm，直径100nm，沿碳纳米管长度方向生长的碳化硅纳米线长度为60μm，直径100nm；该碳纳米管-碳化硅纳米线一维纳米材料的电导率为0.05Ω·cm，热导率为2000W/mk。
对比例1：
本对比例中的碳纳米管和碳化硅纳米线复合材料，其与实施例1的区别仅在于采用市购的碳纳米管作为原料，具体制备过程如下：
(1)选择长度为120μm，直径100nm的碳纳米管为原料，对该碳纳米管用硝酸清洗，干燥，备用；
(2)将步骤(1)处理后的碳纳米管至于管式炉中，通入氢气、氩气和三氯甲基硅烷，H2、Ar和CH3SiCl3体积比为8:7:1，温度为1100℃，时间为3h；
(3)随炉冷却，得到碳纳米管和碳化硅纳米线复合材料。
如图2，本对比例制备的复合材料中，碳化硅纳米线与碳化硅纳米线呈交叉结构，与本发明实施例1制备得到的材料结构完全不同。本对比例制备的这种结构材料只能以复合薄膜形式存在，实际是两种一维纳米结构混合而成，而本发明中是形成一种新的一维纳米结构，种类是单一的，可以单根独立存在，且单根性能优异且可调整的，具有良好的设计性。而本对比例形成的材料导电性和热导率较差，并且薄膜本身已经脱离纳米材料层次，不适合应用于新型纳米电子器件。
实施例2：
一种本发明的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，为一维纳米结构，该碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长；该碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳纳米管长度为60μm，直径110nm，碳化硅纳米线长度为120μm，直径110nm。
本实施例中的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将基片放入乙醇中进行超声清洗130min，室温干燥；
(2)将清洗后的基片浸泡于硝酸镍溶液中2h，室温干燥；
(3)将基片放入管式炉中，通入丙烯、氢气、氮气，体积为1:6:12，时间为3h，温度为850℃；
(4)停止通入丙烯和氮气，通入三氯甲基硅烷和氩气，H2、Ar和CH3SiCl3体积比为10:10:1，温度为1150℃，时间为5h；
(5)随炉冷却，即在基片表面得到碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料。
本实施例制备的碳纳米管-碳化硅纳米线一维纳米材料长度为180μm，其中，该一维结构材料中碳纳米管长度为60μm，直径110nm，沿碳纳米管长度方向生长的碳化硅纳米线长度为120μm，直径110nm；该碳纳米管-碳化硅纳米线一维纳米材料的电导率为0.2Ω·cm，热导率为1000W/mk。

Claims (6)

1.一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，其特征在于，所述碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料为一维纳米结构；所述碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长。
2.如权利要求1所述的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，其特征在于，所述碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料中碳纳米管长度为50-150μm，直径为50-500nm，碳化硅纳米线长度为50-150μm，直径为50-500nm。
3.一种如权利要求1或2所述的碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基片进行预处理；
(2)将预处理基片放入管式炉中，采用化学气相沉积法在基体上沉积碳纳米管；
(3)采用化学气相沉积法在步骤(2)后的碳纳米管上沉积碳化硅纳米线，得到碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，化学气相沉积法在基体上沉积碳纳米管的具体参数包括：通入体积比为1:(5～10):(10～20)的丙烯、氢气和氮气，沉积温度为800～1100℃，沉积的时间为3～6h。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用化学气相沉积法在步骤(2)后的碳纳米管上沉积碳化硅纳米线的具体过程为：停止通入丙烯和氮气，通入三氯甲基硅烷和氩气，其中，H2、Ar和CH3SiCl3的体积为(5～15):(5～15):1，沉积温度为950～1250℃，沉积的时间为3～6h。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，基片的预处理过程是指将基片放入乙醇中进行超声清洗10～30min，室温干燥，再将基片浸泡于硝酸镍溶液中0.5-2h，室温干燥。
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