一種基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種一維納米材料的表面改性方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC納米線，既具有優(yōu)異力學(xué)性能，又具有非常優(yōu)異的光電性能，在航天航空、半導(dǎo)體器件、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用前景。然而，SiC與大多數(shù)金屬、陶瓷和高分子材料都存在著較為嚴(yán)重的界面不相容性，導(dǎo)致基體與SiC增強(qiáng)體之間的結(jié)合力不強(qiáng)，降低了SiC增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，而且隨著SiC含量的增多這種對性能的影響會加劇。
[0003]SiC納米線，已經(jīng)被研究了二十多年，但尚未能得到實(shí)際應(yīng)用。制約其應(yīng)用的主要原因之一就是SiC納米線的表面問題。與普通的SiC材料一樣，SiC納米線在復(fù)合材料時(shí)普遍存在難以分散、潤濕性差、界面結(jié)合差等問題，往往無法有效發(fā)揮增強(qiáng)增韌的作用，甚至還會導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能大幅下降。此外，SiC納米線在高溫條件下使用，容易被空氣中的氧氣氧化，降低碳化硅材料固有的耐高溫特性。因此，若能將SiC表面改性，在SiC表面形成一層與SiC納米線緊密結(jié)合的致密的S12保護(hù)層，那將會有效解決納米線的表面界面和抗氧化問題，為SiC納米線在復(fù)合材料、高溫環(huán)境及作為功能材料等領(lǐng)域的應(yīng)用提供進(jìn)一步的可能。
[0004]所以，對SiC納米進(jìn)行表面改性，是解決其應(yīng)用瓶頸問題的突破口和有效辦法，也是促進(jìn)SiC納米線實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)，具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。但是，有關(guān)SiC納米的表面改性工作尚未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有碳化硅納米線在使用過程中的表面活性低、界面結(jié)合差、難分散、易氧化等問題，本發(fā)明提供了一種基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法與應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，包括如下步驟:
將SiC納米線放置到空氣燒結(jié)爐或可以直接在空氣中加熱的裝置中，直接在空氣氣氛中加熱，由室溫加熱至700?1400°C，控制加熱速率為5?20°C/min，保溫時(shí)間為5?120min，即可得到表面改性后的SiC納米線，其為核殼結(jié)構(gòu)的一維納米材料，芯部為SiC，外層為Si02，S12緊密包覆在SiC外面形成致密的包覆層，其中S12包覆層為非晶態(tài)，界面處的結(jié)合為原子尺度的緊密結(jié)合，根據(jù)改性前SiC納米線的直徑尺度，外部的S12包覆層厚度可以控制為2nm?500nm。
[0007]本發(fā)明中的表面改性的SiC納米線”可以但并不限于如下應(yīng)用:(1)易于分散、與基體材料形成良好的界面結(jié)合，可以廣泛用作金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，具有更好的增強(qiáng)增韌效果。(2)生物醫(yī)用材料的支架、載體和聯(lián)接材料。(3)光電納米元器件，納米場發(fā)射晶體管、激光器。(4)在高溫、高頻、高功率和輻照等惡劣或極端工作環(huán)境下使用。
[0008]根據(jù)SiC+202=Si02+C02的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，SiC納米線在設(shè)定溫度下可以與O2發(fā)生反應(yīng)，本發(fā)明通過控制溫度和氣氛條件，讓O2分子將SiC納米線表面的SiC分子“一層一層”(Layer by Layer)氧化--生成致密的Si02。因?yàn)镾i02是因納米線上SiC分子中的C由O
原子取代(替換)而產(chǎn)生，所以只要通過控制反應(yīng)溫度和氧氣供給量即可在SiC納米線外表形成一層致密的Si02保護(hù)層(一維納米SiC@Si02核殼結(jié)構(gòu)材料)，從而實(shí)現(xiàn)對SiC納米線的表面改性。同時(shí)，只要簡單的操作，控制溫度和反應(yīng)時(shí)間，就能實(shí)現(xiàn)對S12外殼層的控制。
[0009]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明可以在SiC納米線表面形成一層致密的S12防護(hù)層，改性后的SiC納米線具有優(yōu)良的表面均勻性、界面結(jié)合效果優(yōu)異，在航空航天、增強(qiáng)復(fù)合材料、生物醫(yī)用、半導(dǎo)體器件以及抗氧化防腐蝕等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。
[0010]2、本發(fā)明具有制備工藝簡單、節(jié)能環(huán)保、易控制、成本低、產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0011]圖1是未經(jīng)處理的原始SiC納米線的TEM(透射電子顯微鏡)照片及其SAED(選區(qū)電子衍射)分析；
圖2是未經(jīng)處理的原始SiC納米線的HRTEM(高分辨透射電子顯微鏡)照片；
圖3是SiC納米線表面改性處理后典型的TEM(透射電鏡)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0013]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式提供的對SiC納米進(jìn)行表面改性方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
將SiC納米線放置到燒結(jié)爐或可以直接在空氣條件下加熱的裝置中，由室溫加熱至700?14000C，控制加熱速率為5?200C/min，保溫時(shí)間為5?120min，即可得到表面改性后的SiC納米線。經(jīng)過表面改性后的SiC納米線為核殼結(jié)構(gòu)的一維納米材料，芯部為SiC、外層為Si02，S12緊密包覆在SiC外面形成致密的包覆層，其中S12包覆層為非晶態(tài)，界面處的結(jié)合為原子尺度的緊密結(jié)合。根據(jù)改性前SiC納米線的直徑尺度，外部的S12包覆層厚度可以控制為2nm?500nm。
[0014]由圖1可知，碳化硅納米線平直光滑，物相為立方碳化硅，S卩3C_SiC，圖2進(jìn)一步驗(yàn)證了SiC納米線物相為立方碳化硅，S卩3C-SiC;圖3表明經(jīng)過表面改性處理后的納米線形成了 “核殼結(jié)構(gòu)”，即讓內(nèi)部的SiC納米線包覆了一層非晶態(tài)的保護(hù)層。
[0015]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是，S12層厚度為10?200nmo
[0016]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一、二不同的是，S12層厚度為10?10nm0
[0017]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一?三不同的是，加熱溫度為800?1200°C，加熱速率為5?10°C/min，保溫時(shí)間為30?60min。
[0018]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一?四不同的是，加熱溫度為800?1200 °C，保溫時(shí)間為30min。
[0019]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一?五不同的是，以10°C/min的升溫速率加熱到900?1150 °C，保溫30min。
[0020]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一?六不同的是，以10°C/min的升溫速率加熱到1000?1050°C。
[0021]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式提供的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
將SiC納米線放置到空氣燒結(jié)爐中，直接在空氣氣氛中加熱，由室溫加熱至10000C，控制加熱速率為10°C/min，保溫時(shí)間為20min，即可得到表面改性后的SiC納米線。經(jīng)過表面改性后的SiC納米線為核殼結(jié)構(gòu)的一維納米材料，芯部為SiC、外層為Si02，S12緊密包覆在SiC外面形成致密的包覆層，其中界面處的結(jié)合為原子尺度的緊密結(jié)合，外部的S12包覆層厚度可以控制為50nmo
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 將SiC納米線放置到空氣燒結(jié)爐或可以直接在空氣中加熱的裝置中，直接在空氣氣氛中加熱，由室溫加熱至700?1400°C，控制加熱速率為5?20°C/min，保溫時(shí)間為5?120min，即可得到表面改性后的SiC納米線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述表面改性后的SiC納米線為核殼結(jié)構(gòu)的一維納米材料，芯部為SiC，外層為S12, S12緊密包覆在SiC外面形成致密的包覆層，其中S12包覆層為非晶態(tài)，界面處的結(jié)合為原子尺度的緊密結(jié)合，S12包覆層厚度控制為2nm?500nm。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述S12包覆層厚度控制為10?200nm。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述S12包覆層厚度控制為10?lOOnm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述加熱溫度為800?1200°C，加熱速率為5?10°C/min，保溫時(shí)間為30?60min。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述加熱溫度為800?1200°C，保溫時(shí)間為30min。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述加熱溫度為900?1150°C，加熱速率為10°C/min，保溫時(shí)間為30min。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述加熱溫度為1000?1050°C，加熱速率為10°C/min。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法，其特征在于所述加熱溫度為1000 °C，加熱速率為I (TC/min，保溫時(shí)間為30min。10.—種權(quán)利要求1-9任一權(quán)利要求所述方法制備的表面改性的SiC納米線可應(yīng)用于以下方面:(I)金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體；(2)生物醫(yī)用材料的支架、載體和聯(lián)接材料；(3)光電納米元器件、納米場發(fā)射晶體管、激光器；(4)在高溫、高頻、高功率和輻照惡劣或極端工作環(huán)境下。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于空氣熱氧化對SiC納米線進(jìn)行表面改性的方法與應(yīng)用，所述方法為：將SiC納米線放置到空氣燒結(jié)爐或可以直接在空氣中加熱的裝置中，直接在空氣氣氛中加熱，由室溫加熱至700～1400℃，控制加熱速率為5～20℃/min，保溫時(shí)間為5～120min，即可得到表面改性后的SiC納米線。表面改性后的SiC納米線為核殼結(jié)構(gòu)的一維納米材料，芯部為SiC，外層為SiO2，SiO2緊密包覆在SiC外面形成致密的包覆層，界面處的結(jié)合為原子尺度的緊密結(jié)合，外部的SiO2包覆層厚度可以控制為2nm~500nm。本發(fā)明解決了現(xiàn)有碳化硅納米線在使用過程中的活性低、難分散、易氧化、界面結(jié)合差等問題，具有制備工藝簡單、節(jié)能環(huán)保、易控制、成本低、產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】C01B31/36, B82Y30/00
【公開號】CN105565319
【申請?zhí)枴緾N201511014830
【發(fā)明人】張曉東, 楊路路, 周宇航, 閆旭, 侯思民, 趙義, 黃小蕭, 溫廣武, 劉文會, 劉璐
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月31日