Piikarbidin nanomateriaalit

Piikarbidin nanomateriaalit

Piikarbidin nanomateriaalit (SiC nanomateriaalit) viittaavat materiaaleihin, jotka koostuvatpiikarbidi (SiC)jossa on vähintään yksi nanometrin mittakaava (määritelty tavallisesti 1-100 nm) kolmiulotteisessa avaruudessa. Piikarbidin nanomateriaalit voidaan luokitella rakenteensa mukaan nolla-, yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisiin rakenteisiin.

Nollaulotteiset nanorakenteetovat rakenteita, joiden kaikki mitat ovat nanometrin mittakaavassa, mukaan lukien pääasiassa kiinteät nanokiteet, ontot nanopallot, ontot nanohäkit ja ydin-kuori nanopallot.

Yksiulotteiset nanorakenteetviittaavat rakenteisiin, joissa kaksi ulottuvuutta on rajoitettu nanometrin mittakaavaan kolmiulotteisessa avaruudessa. Tällä rakenteella on monia muotoja, mukaan lukien nanolangat (kiinteä keskus), nanoputket (ontto keskus), nanohihnat tai nanohihnat (kapea suorakaiteen muotoinen poikkileikkaus) ja nanoprismat (prisman muotoinen poikkileikkaus). Tästä rakenteesta on tullut intensiivisen tutkimuksen kohteena sen ainutlaatuisten sovellusten ansiosta mesoskooppisessa fysiikassa ja nanomittakaavan laitteiden valmistuksessa. Esimerkiksi kantajat yksiulotteisissa nanorakenteissa voivat levitä vain rakenteen yhteen suuntaan (eli nanolangan tai nanoputken pitkittäissuuntaan), ja niitä voidaan käyttää nanoelektroniikan liitäntöinä ja avainlaitteina.

Kaksiulotteiset nanorakenteet, joilla on vain yksi ulottuvuus nanomittakaavassa, yleensä kohtisuorassa niiden kerrostasoon nähden, kuten nanoarkit, nanoarkit, nanoarkit ja nanopallot, ovat saaneet viime aikoina erityistä huomiota, ei vain niiden kasvumekanismin perusymmärtämisessä, vaan myös niiden potentiaalin tutkimisessa. sovellukset valosäteilijöissä, antureissa, aurinkokennoissa jne.

Kolmiulotteiset nanorakenteetNiitä kutsutaan yleensä monimutkaisiksi nanorakenteiksi, jotka muodostuvat kokoelmasta yhdestä tai useammasta perusrakenneyksiköstä nolla-, yksi- ja kaksiulotteisina (kuten nanolangat tai nanosauvat, jotka on yhdistetty yksikideliitoksilla) ja niiden geometriset kokonaismitat. ovat nanometrin tai mikrometrin asteikolla. Tällaiset monimutkaiset nanorakenteet, joilla on suuri pinta-ala tilavuusyksikköä kohti, tarjoavat monia etuja, kuten pitkät optiset reitit tehokkaaseen valon absorptioon, nopeaan rajapintavarauksen siirtoon ja viritettävät varauksen siirtoominaisuudet. Nämä edut mahdollistavat kolmiulotteisten nanorakenteiden suunnittelun tulevaisuuden energian muunnos- ja varastointisovelluksissa. 0D-rakenteista 3D-rakenteisiin on tutkittu monenlaisia ​​nanomateriaaleja, jotka on otettu vähitellen käyttöön teollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä.

Piikarbidin nanomateriaalien synteesimenetelmät

Nollaulotteisia materiaaleja voidaan syntetisoida kuumasulatusmenetelmällä, sähkökemiallisella etsausmenetelmällä, laserpyrolyysimenetelmällä jne.SiC kiinteänanokiteet, jotka vaihtelevat muutamasta nanometristä kymmeniin nanometriin, mutta ovat yleensä pseudopallomaisia, kuten kuvassa 1 näkyy.

Kuva 1 TEM-kuvia β-SiC nanokiteistä, jotka on valmistettu eri menetelmillä

a) Solvoterminen synteesi[34]; (B) Sähkökemiallinen etsausmenetelmä[35]; c) lämpökäsittely[48]; d) Laserpyrolyysi[49]

Dasog et ai. syntetisoi pallomaisia ​​β-SiC-nanokiteitä, joilla on säädettävä koko ja selkeä rakenne, kiinteän tilan kaksoishajoamisreaktiolla SiO2-, Mg- ja C-jauheiden välillä [55], kuten kuvassa 2.

Kuva 2 FESEM-kuvia pallomaisista piikarbidin nanokiteistä, joiden halkaisija on erilainen[55]

(a) 51,3 ± 5,5 nm; (B) 92,8 ± 6,6 nm; (c) 278,3 ± 8,2 nm

Höyryfaasimenetelmä piikarbidin nanolankojen kasvattamiseen. Kaasufaasisynteesi on kypsin menetelmä piikarbidin nanolankojen muodostamiseen. Tyypillisessä prosessissa lopputuotteen muodostamiseen reagoivina aineina käytettyjä höyryaineita syntyy haihduttamalla, kemiallisesti pelkistämällä ja kaasumaisella reaktiolla (vaatii korkean lämpötilan). Vaikka korkea lämpötila lisää lisäenergian kulutusta, tällä menetelmällä kasvatetuilla SiC-nanolangoilla on yleensä korkea kiteen eheys, kirkkaat nanolangat/nanorodit, nanoprismat, nanoneulat, nanoputket, nanohihnat, nanokaapelit jne., kuten kuvassa 3 näkyy.

Kuva 3 Yksiulotteisten piikarbidin nanorakenteiden tyypillisiä morfologioita 

(a) Nanolankajärjestelmät hiilikuiduilla; (b) Ultrapitkät nanolangat Ni-Si-palloissa; (c) nanolangat; (d) nanoprismat; (e) nanobambu; f) nanoneulat; (g) nanobonet; (h) nanoketjut; (i) Nanoputket

Liuosmenetelmä SiC-nanolankojen valmistukseen. Liuosmenetelmällä valmistetaan SiC nanolankoja, mikä alentaa reaktiolämpötilaa. Menetelmä voi sisältää liuosfaasiprekursorin kiteyttämisen spontaanin kemiallisen pelkistyksen tai muiden reaktioiden avulla suhteellisen miedossa lämpötilassa. Solvotermistä synteesiä ja hydrotermistä synteesiä on liuosmenetelmän edustajina yleisesti käytetty SiC-nanolankojen saamiseksi matalissa lämpötiloissa.

Kaksiulotteisia nanomateriaaleja voidaan valmistaa solvotermisillä menetelmillä, pulssilasereilla, hiililämpöpelkistyksellä, mekaanisella kuoriuksella ja mikroaaltoplasmalla tehostetullaCVD. Ho et ai. toteutti 3D SiC nanorakenteen nanolankakukan muotoisena, kuten kuvassa 4 näkyy. SEM-kuva osoittaa, että kukkamainen rakenne on halkaisijaltaan 1-2 μm ja pituus 3-5 μm.

Kuva 4 SEM-kuva kolmiulotteisesta piikarbidin nanolankakukasta

Piikarbidin nanomateriaalien suorituskyky

Piikarbidin nanomateriaalit ovat edistyksellistä keraamista materiaalia, jolla on erinomainen suorituskyky ja jolla on hyvät fysikaaliset, kemialliset, sähköiset ja muut ominaisuudet.

✔ Fysikaaliset ominaisuudet

Korkea kovuus: Nanopiikarbidin mikrokovuus on korundin ja timantin välissä, ja sen mekaaninen lujuus on korkeampi kuin korundin. Sillä on korkea kulutuskestävyys ja hyvä itsevoitelu.

Korkea lämmönjohtavuus: Nanopiikarbidilla on erinomainen lämmönjohtavuus ja se on erinomainen lämpöä johtava materiaali.

Matala lämpölaajenemiskerroin: Tämän ansiosta nanopiikarbidi voi säilyttää vakaan koon ja muodon korkeissa lämpötiloissa.

Suuri ominaispinta-ala: Yksi nanomateriaalien ominaisuuksista on omiaan parantamaan niiden pinta-aktiivisuutta ja reaktiokykyä.

✔ Kemialliset ominaisuudet

Kemiallinen stabiilisuus: Nanopiikarbidilla on vakaat kemialliset ominaisuudet ja se voi säilyttää suorituskykynsä muuttumattomana erilaisissa ympäristöissä.

Antioksidantti: Se kestää hapettumista korkeissa lämpötiloissa ja kestää erinomaisesti korkeita lämpötiloja.

✔Sähköiset ominaisuudet

Korkea bandgap: Korkea bandgap tekee siitä ihanteellisen materiaalin korkeataajuisten, suuritehoisten ja vähän energiaa kuluttavien elektronisten laitteiden valmistukseen.

Korkea elektronien saturaatioliikkuvuus: Se edistää elektronien nopeaa siirtymistä.

✔Muut ominaisuudet

Vahva säteilynkestävyys: Se voi ylläpitää vakaata suorituskykyä säteilyympäristössä.

Hyvät mekaaniset ominaisuudet: Sillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, kuten korkea kimmokerroin.

Piikarbidin nanomateriaalien käyttö

Elektroniikka ja puolijohdelaitteet: Erinomaisten elektronisten ominaisuuksiensa ja korkean lämpötilan vakauden ansiosta nanopiikarbidia käytetään laajalti suuritehoisissa elektronisissa komponenteissa, suurtaajuisissa laitteissa, optoelektronisissa komponenteissa ja muilla aloilla. Samalla se on myös yksi ihanteellisista materiaaleista puolijohdelaitteiden valmistukseen.

Optiset sovellukset: Nanopiikarbidilla on laaja kaistaväli ja erinomaiset optiset ominaisuudet, ja sitä voidaan käyttää korkean suorituskyvyn lasereiden, LEDien, aurinkosähkölaitteiden jne. valmistukseen.

Mekaaniset osat: Korkeaa kovuutta ja kulutuskestävyyttä hyödyntäen nanopiikarbidilla on laaja valikoima sovelluksia mekaanisten osien valmistuksessa, kuten nopeat leikkaustyökalut, laakerit, mekaaniset tiivisteet jne., jotka voivat parantaa kulumista huomattavasti. osien kestävyys ja käyttöikä.

Nanokomposiittimateriaalit: Nanopiikarbidia voidaan yhdistää muihin materiaaleihin nanokomposiittien muodostamiseksi materiaalin mekaanisten ominaisuuksien, lämmönjohtavuuden ja korroosionkestävyyden parantamiseksi. Tätä nanokomposiittimateriaalia käytetään laajasti ilmailuteollisuudessa, autoteollisuudessa, energia-alalla jne.

Korkean lämpötilan rakennemateriaalit: Nanopiikarbidisillä on erinomainen korkeiden lämpötilojen kestävyys ja korroosionkestävyys, ja sitä voidaan käyttää äärimmäisen korkeissa lämpötiloissa. Siksi sitä käytetään korkean lämpötilan rakennemateriaalina ilmailu-, petrokemian-, metallurgiassa ja muilla aloilla, kuten valmistuksessakorkean lämpötilan uunit, uunin putket, uunin vuoraukset jne.

Muut sovellukset: Nanopiikarbidia käytetään myös vedyn varastoinnissa, fotokatalyysissä ja anturissa, mikä tarjoaa laajat käyttömahdollisuudet.