SiC纳米材料的制备与应用研究现状

安徽科技学院2014-2015学年第2学期《纳米材料合成技术》课程论文

学院：化学与材料工程班级：无机非金属材料工程12级卓越班学号：1882120129

姓名：周可可授课教师：李子荣成绩：

论文摘要：本文根据SiC纳米材料的尺寸不同，分别介绍了其零维和一维纳米材料的制备与应用进展。零维SiC纳米材料即SiC纳米微粉，主要是通过激光诱导化学气相沉积法（LICVD）、通电加热蒸发法、聚合物热分解法制取得到。由于该粉末具有优良的力学性能、电性能和热导率，作为结构材料广泛应用于集成电路的基片和封装材料等。一维SiC纳米材料主要是通过模板法、激光烧蚀法、加热蒸发法和碳热还原法制取而来。由于该一维材料具有一定的耐磨、耐腐蚀以及低密度、高强度的优良特性，可应用于发动机改装器、高性能雷达天线材料和红外整流罩等。

教师评语：

SiC纳米材料的制备与应用研究现状

摘要：本文根据SiC纳米材料的尺寸不同，分别介绍了其零维和一维纳米材料的制备与应用进展。零维SiC纳米材料即SiC纳米微粉，主要是通过激光诱导化学气相沉积法（LICVD）、通电加热蒸发法、聚合物热分解法制取得到。由于该粉末具有优良的力学性能、电性能和热导率，作为结构材料广泛应用于集成电路的基片和封装材料等。一维SiC纳米材料主要是通过模板法、激光烧蚀法、加热蒸发法和碳热还原法制取而来。由于该一维材料具有一定的耐磨、耐腐蚀以及低密度、高强度的优良特性，可应用于发动机改装器、高性能雷达天线材料和红外整流罩等。

关键词：SiC；纳米材料；制备、应用

0 引言

SiC具有低密度、高强度、高弹性模量、高抗氧化性以及优异的耐磨性和耐腐蚀性，广泛应用于航空、航天、能源、化工和环保等众多领域[1]。同时，SiC作为第三代半导体材料，有高临界击穿电压、高热导率、宽带隙等良好的性质，使其成为制造高频、大功率、抗辐射、耐高温的半导体器件及长波发光二极管等等的理想材料[2]。但传统SiC材料自身的缺陷（如易脆性）使其无法满足目前这个社会的现代科技的苛刻要求。纳米技术的诞生为SiC纳米材料的制备开辟了一条崭新的路径和新的制备征程。SiC纳米微粉，是指颗粒直径为1~100nm 之间的SiC颗粒。而且性能更为优异的SiC纳米微粉可以克服SiC传统材料的缺陷，应用也更为广泛和有效性[3]。一维的SiC纳米材料除了具有其块体材料的性质之外，还具有其他以下特性：（1）十分优异的力学性能，具有较高的弹性和强度，是一种优良的补强增韧添加剂，已被用于陶瓷、聚合物和金属等的增强材料应用；（2）特殊的光学性能，可清晰地观察到室温下的某些发光特性，因此在光电子器件领域中拥有不错的应用前景；（3）优良场发射特性，且其阈值场强不高，但电流密度较强，且高温下较为稳定，可以作为发射电磁场的电极物质。（4）高效的光催化特性，可用于废水处理系统的光催化及提高太阳光的利用率方面等[4]。

而本文介绍了SiC的零维和一维纳米材料的制备方法及应用进展。零维SiC纳米材料即SiC纳米微粉，主要从激光诱导气相沉积技术（LICVD）、通电加热蒸发法、聚合物（螯合物）热分解法来阐述其制备过程。在应用方面，由于该粉末具有优良的力学性能、电性能以及热导率，因此为实现其所能发挥的最大优势，其可以作为作为结构材料，而能够被应用于集成电子电路的基片和封装材料等广大范围。一维SiC纳米材料主要介绍了其是通过模板法（碳纳米管等）、激光烧蚀技术、加热蒸发法和碳热还原法制取而来。在应用发面，由于该一维材料具有一定的耐磨、耐腐蚀，另外，还具有低密度、高强度的优良特性，可应用于航空航天技术方面，比如神舟系列航天器的发动机改装器、雷达上的高性能天线合成的纳米原材料和夜视仪上的红外整流罩等。

1 SiC纳米材料的制备

1.1零维SiC纳米材料的制备

1.1.1激光诱导化学气相沉积法（LICVD）

激光诱导化学气相沉积法（LICVD）是一种近几年兴起的制备纳米微粉的技术，使用该方案的优点有：粒子大小可以控制、粒度分布均匀，且易制备得到几纳米至几十纳米（nm）的晶态或非晶态纳米颗粒。其基本原理是利用气体分子的激光分解过程（比如红外多光子分解或紫外线光解）、激光高温降解、激光诱导化学方法合成反应等。在一定的工艺流程下，通过控制其激光功率大小、反应池压强、反应参与气体摩尔配比和整体反应

温度调节，使其获得产物更为纯化等，此外，此方法还可使其按照一定的程序化成核并生长。通过此种方法制备的纳米材料类型可以是化合物、单质或其他功能、无机复合型材料等纳米粉末。用LICVD法制备的零维SiC 纳米材料具有物质表面清洁、粒子尺寸可以方便控制、无粘结情况发生、粒度分布均相等优点，并可制备非晶态的纳米颗粒。

1.1.2通电加热蒸发法[5]

通电加热蒸发法是将碳棒与可控金属进行表面接触粘连，然后通电加热使该金属熔化，此金属与高温碳素反应后，蒸发形成碳化物的纳米微粒。当制备SiC纳米微粒时，碳棒和硅板（反应后的蒸发材料）放在一起，在蒸发处充满氦气和氩气等惰性气体。压强设为1~10kPa，在碳棒和硅板之间通上几百A的交流电压值，而后者会被它的加热器持续加热起来。随着后者的温度升高，电阻下降，电路会被接通。而当碳棒达到一定的程度时，两者相接触的部位熔化，而当碳棒的温度高于2473K时，在其周围形成了SiC纳米微粒的“烟”，然后把这些所谓的“烟”收集起来，就能够获得SiC纳米微粉。

1.1.3聚合物热分解法

有机聚合物的高温分解是制取SiC的一种特别方法，且分为两种不同类型的方法。一种类型是加热凝胶态的聚硅氧烷，令其发生分解化学放出单体的化学反应等，最终会形成SiO粉末和C单质，再由碳对该混合物进行碳化还原，就可制得SiC纳米微粉；另一种类型是加热聚碳硅烷或者聚硅烷，当放出单体后生成大框架，最终可得到SiC粉末。谢凯等报道了以低分子LPS（聚碳硅烷）为基本原料，利用气体热裂解的方法制备SiC纳米材料的目前研究现状，并从物理化学中的热力学和动力学的角度详尽地探讨了LPS分解反应的机理，对合成SiC工艺的各种条件、产物的相关性质以及原料中的组成、形貌等的影响进行了更为系统化的讨论，经过大量的比较试验，得出了较佳的工艺条件[6]。

1.2一维SiC纳米材料的制备

1.2.1模板法

以模板法制备一维SiC纳米材料主要是两种：一种是以现有的一维纳米结构（CNT等）为模板，来制备一维SiC纳米材料；而另一种是以多孔氧化物（多孔SiO2）为模板来制备。（1）一维纳米结构模板法：清华唐等使用以碳纳米管为模板的限制阈值的方法法制备得到SiC纳米线，并对其实验过程的各种反应机理进行了较为详尽的探索研究；Dai等以SiO气体为原基础物质，与掺杂过金属的WCNTs为原料于1300~1400摄氏度的反应池温度下，制备得到了一维SiC纳米材料，其直径为2~30nm左右，且形状为杆状的棒状固体。研究结果表明：SiC纳米棒的直径与碳纳米管（CNT）及SiO反应生成的CO气体，无法有效的即使从反应釜中被气流带走，流向外面后，会使得环境受到一定程度的破坏；另外一方面来说，如果生成的CO气体不能很快被送出反应釜的话，会导致表面上的外延生长而使得生成的纳米材料较为粗大，该外延生长的材料直径为20~70nm。

1.2.2激光烧蚀法

施等用激光烧蚀的方法在较低的温度下得到了一维SiC纳米线，其研究小组将常见的SiC陶瓷材料放置于三氧化二铝的管式炉中央位置，把浸有硝酸铁的石墨衬底置于炉子的其中一端处，在混有5%氢气的氩气保护下，以每分钟七摄氏度的速率升温至1100摄氏度，同时用脉冲的氟化氩准分子激光仪器作为光源（波长为248nm，