SiC/CNTs纳米复合陶瓷及一维SiO2/C纳米材料的制备和机理研究

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CNTs(碳纳米管)、纳米纤维、纳米线等一维纳米材料具有特殊的结构和性能,在制备纳米复合陶瓷材料和光电器件方面有着广阔的前景和巨大的潜力。但是在制备纳米复合陶瓷材料方面存在不良界面反应的问题以及在合成纳米纤维、纳米线的工艺方面存在工艺复杂,难以精确控制等难题。在制备SiC/CNTs纳米复合陶瓷材料高温烧结过程中,CNTs可能会与SiC中存在的SiO2杂质发生反应,导致CNTs的结构遭到破坏降低其增韧效果。针对这一问题,本文首次提出了用HF预处理SiC原料的方法去除粉体表面的SiO2杂质,从而避免不良界面反应的发生以提高复合材料的性能。在相同实验条件下,将作为增韧相的10 vol%CNTs分别加入到HF预先处理的SiC粉和未处理的SiC粉中混合得到两种复合粉体,经1850℃放电等离子烧结(SPS)制成两种SiC/CNTs纳米复合陶瓷材料。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM),拉曼光谱(RS)对制备的复合陶瓷材料断面进行了表征,测定了材料的致密度,热扩散系数和断裂韧性,并进行了相关的热力学计算。通过对表征结果的分析,发现在SPS过程中CNTs与未经HF处理的SiC粉体表面的SiO2杂质确实发生了界面反应,这与热力学计算结果相符并且具备反应动力学条件。HF处理后,CNTs的结构完整性优于未处理的材料,复合材料的致密度、热扩散系数也有一定程度的提高,其断裂韧性(压痕法)也由4.4±0.4 MPa?m1/2提高到5.4±0.5 MPa?m1/2。针对纳米纤维、纳米线等一维纳米材料的制备工艺复杂,难以精确控制的难题,本文采用化学气相沉积(CVD)法以H2、CH4和Ar为气体原料,在不加催化剂1100℃的条件下合成了超长碳纤维,长度可达几厘米。随着保温时间的增加,碳纤维的直径和长度均有增加。采用伏安法直接测量了单根碳纤维的电阻率,低至10-5Ω?m数量级。通过对单根碳纤维断面的形貌观察和工艺分析,提出了碳纤维的生长机理。在相同的实验系统下,以SiC粉体为原料,Fe(NO33为催化剂原位合成了直径20-25 nm的SiO2纳米线,长度达几十微米。引入甲烷二次热处理后制备了SiO2/C纳米链。通过对制备的纳米材料结构和成分的表征分析,分别提出了基于VLS的纳米线生长机理和Plateau-Rayleigh不稳定性诱导的纳米链生长机理。
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