Nanomateriały z węglików krzemowych

Nanomateriały z węglików krzemowych

Nanomateriały z węglików krzemowych (nanomateriały SIC) odnoszą się do materiałów złożonychwęglik krzemowy (sic)z co najmniej jeden wymiar w skali nanometru (zwykle zdefiniowany jako 1-100 nm) w przestrzeni trójwymiarowej. Nanomateriały węgla krzemu można podzielić na zero-wymiarowe, jednowymiarowe, dwuwymiarowe i trójwymiarowe struktury zgodnie z ich strukturą.

Zero-wymiarowe nanostrukturysą strukturami, których wszystkie wymiary znajdują się w skali nanometru, w tym głównie stałe nanokryształy, puste nanosfery, puste nanosfery i nanosfery rdzeniowe.

Nanostruktury jednowymiarowePatrz struktury, w których dwa wymiary ograniczają się do skali nanometru w przestrzeni trójwymiarowej. Ta struktura ma wiele form, w tym nanodruty (stały środek), nanorurki (puste środek), nanobelty lub nanobelty (wąski przekrój prostokątny) i nanopryscje (przekrój w kształcie pryzmatu). Struktura ta stała się przedmiotem intensywnych badań ze względu na unikalne zastosowania w fizyce mezoskopowej i produkcji urządzeń nanoskalowych. Na przykład nośniki w jednowymiarowych nanostrukturach mogą rozprzestrzeniać się tylko w jednym kierunku struktury (tj. Kierunek podłużny nanodrutu lub nanorurki) i mogą być stosowane jako połączenia i kluczowe urządzenia w nanoelektronice.

Dwuwymiarowe nanostruktury, które mają tylko jeden wymiar w nanoskali, zwykle prostopadłowy do płaszczyzny warstwowej, taki jak nanosektyki, nanosekty, nanosekty i nanosfery, niedawno zwróciły szczególną uwagę, nie tylko dla podstawowego zrozumienia ich mechanizmu wzrostu, ale także do badania ich potencjalnych zastosowań w emiterach światła, czujnikach, czujnikach, słonecznych komórkach itp.

Trójwymiarowe nanostrukturysą zwykle nazywane złożonymi nanostrukturami, które są tworzone przez zbiór jednej lub bardziej podstawowych jednostek strukturalnych w zerowej wymiarach, jednowymiarowej i dwuwymiarowej (takich jak nanodruty lub nanorody połączone pojedynczymi kryształowymi skrzyżami), a ich ogólne wymiary geometryczne są w skali nanometru lub mikrometry. Takie złożone nanostruktury o wysokiej powierzchni na jednostkę objętości zapewniają wiele zalet, takich jak długie ścieżki optyczne dla wydajnego absorpcji światła, szybkiego przenoszenia ładunku międzyfazowego i możliwości transportu ładunku dostrajanego. Zalety te umożliwiają trójwymiarowym nanostruktur do rozwoju projektowania w przyszłych aplikacjach konwersji energii i magazynowania. Od 0D do struktur 3D badano szeroką gamę nanomateriałów i stopniowo wprowadzane do życia w branży i codziennym.

Metody syntezy nanomateriałów SIC

Materiały o zerowej wymiaru można zsyntetyzować metodą stopu gorącego, metodą trawienia elektrochemicznego, metody pirolizy laserowej itp.Sic solidNanokryształy, od kilku nanometrów do dziesiątek nanometrów, ale zwykle są pseudo-kuliste, jak pokazano na rycinie 1.

Rycina 1 Obrazy TEM nanokryształów β-SIC przygotowywane różnymi metodami

(a) synteza solvotermiczna [34]; (B) metoda trawienia elektrochemicznego [35]; (c) przetwarzanie termiczne [48]; (D) Piroliza laserowa [49]

Dasog i in. Zsyntetyzowane sferyczne nanokryształy β-SIC o kontrolowanej wielkości i czystej strukturze przez solidne reakcja podwójnego rozkładu między proszkami SiO2, Mg i C [55], jak pokazano na rycinie 2.

Ryc. 2 Obrazy FESEM sferycznych nanokryształów SIC o różnych średnicach [55]

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

Metoda fazowa pary dla uprawy nanodrutów SIC. Synteza fazy gazowej jest najbardziej dojrzałą metodą tworzenia nanodrutów SIC. W typowym procesie substancje pary stosowane jako reagenty w celu utworzenia produktu końcowego są generowane przez parowanie, redukcję chemiczną i reakcję gazową (wymagającą wysokiej temperatury). Chociaż wysoka temperatura zwiększa dodatkowe zużycie energii, nanodruty SIC uprawiane przez tę metodę zwykle mają wysoką integralność kryształu, wyraźne nanodruty/nanorody, nanopryscje, nanoneedles, nanorurki, nanobelty, nanokabryki itp., Jak pokazano na rycinie 3.

Rycina 3 Typowe morfologie jednowymiarowych nanostruktur SIC 

(a) Tablice nanoprzewodowe na włóknach węglowych; (b) ultralonkie nanodruty na piłkach Ni-Si; (c) nanodruty; (d) nanopryscje; (E) nanobambus; (f) nanoneedles; (g) nanobony; (H) nanocha; (i) Nanorurki

Metoda rozwiązania do przygotowania nanodrutów SIC. Metoda roztworu jest stosowana do przygotowania nanodrutów SIC, co zmniejsza temperaturę reakcji. Metoda może obejmować krystalizację prekursora fazy roztworu poprzez spontaniczną redukcję chemiczną lub inne reakcje w stosunkowo łagodnej temperaturze. Jako przedstawiciele metody rozwiązania, solwotermiczna synteza i synteza hydrotermalna była powszechnie stosowana do uzyskania nanodrutów SIC w niskich temperaturach.

Dwuwymiarowe nanomateriały można wytwarzać metodami solvotermicznej, pulsowanymi laserami, redukcją termiczną węgla, złuszczaniem mechanicznym i mikrofalowym plazmą wzmocnionymCVD. Ho i in. zdał sobie sprawę z nanostruktury 3D w kształcie kwiatu nanoprzewodowego, jak pokazano na rycinie 4. Obraz SEM pokazuje, że struktura podobna do kwiatu ma średnicę 1-2 μm i długość 3-5 μm.

Rycina 4 Obraz SEM trójwymiarowego kwiatu nanodrusowego SIC

Wydajność nanomateriałów SIC

Nanomateriały SIC są zaawansowanym materiałem ceramicznym o doskonałej wydajności, który ma dobre właściwości fizyczne, chemiczne, elektryczne i inne.

✔ Właściwości fizyczne

Wysoka twardość: Mikrotarlistość węglika nano-slilikonowego odbywa się między Corundum i Diamond, a jego wytrzymałość mechaniczna jest wyższa niż w przypadku Corundum. Ma wysoką odporność na zużycie i dobrą samozadowolenie.

Wysoka przewodność cieplna: Nano-Silicon Carbide ma doskonałą przewodność cieplną i jest doskonałym materiałem przewodzącym termicznym.

Niski współczynnik rozszerzania cieplnego: umożliwia to nano-slilikonowe węglika na utrzymanie stabilnego rozmiaru i kształtu w warunkach wysokiej temperatury.

Wysoka powierzchnia właściwa: Jedna z cech nanomateriałów sprzyja poprawie jego aktywności powierzchniowej i wydajności reakcji.

✔ Właściwości chemiczne

Stabilność chemiczna: Nano-Silicon Carbide ma stabilne właściwości chemiczne i może utrzymać jego wydajność niezmienioną w różnych środowiskach.

Przeciwutlenianie: może odporić na utlenianie w wysokich temperaturach i wykazuje doskonałą oporność w wysokiej temperaturze.

✔Właściwości elektryczne

Wysoka bandgap: Wysoka bandgap sprawia, że ​​jest to idealny materiał do wytwarzania urządzeń elektronicznych o wysokiej częstotliwości, wysokiej mocy i niskoenergetycznej.

Wysoka mobilność nasycenia elektronem: sprzyja szybkiej transmisji elektronów.

✔Inne cechy

Silna odporność na promieniowanie: może zachować stabilną wydajność w środowisku promieniowania.

Dobre właściwości mechaniczne: Ma doskonałe właściwości mechaniczne, takie jak moduł wysokiego sprężystości.

Zastosowanie nanomateriałów SIC

Urządzenia elektroniczne i półprzewodnikowe: Ze względu na doskonałe właściwości elektroniczne i stabilność w wysokiej temperaturze węglika nano-slilikonowe jest szeroko stosowane w elementach elektronicznych o dużej mocy, urządzeniach o wysokiej częstotliwości, komponentach optoelektronicznych i innych pól. Jednocześnie jest to również jeden z idealnych materiałów do produkcji urządzeń półprzewodników.

Zastosowania optyczne: Nano-Silicon Carbide ma szeroką bandgap i doskonałe właściwości optyczne i może być stosowany do produkcji laserów o wysokiej wydajności, diod LED, urządzeń fotowoltaicznych itp.

Części mechaniczne: Korzystając z jego wysokiej twardości i odporności na zużycie, węgliek nano-silikonowy ma szeroki zakres zastosowań w produkcji części mechanicznych, takich jak szybkie narzędzia tnące, łożyska, uszczelki mechaniczne itp., Które mogą znacznie poprawić odporność na zużycie i żywotność części części.

Materiały nanokompozytowe: Węglika nano-slilikonowe można łączyć z innymi materiałami w celu utworzenia nanokompozytów w celu poprawy właściwości mechanicznych, przewodności cieplnej i odporności na korozję materiału. Ten materiał nanokompozytowy jest szeroko stosowany w branży lotniczej, branży motoryzacyjnej, polu energetycznym itp.

Materiały konstrukcyjne o wysokiej temperaturze: NanoKrzemowy węglikma doskonałą stabilność wysokiej temperatury i odporność na korozję i może być stosowana w ekstremalnych środowiskach o wysokiej temperaturze. Dlatego jest stosowany jako materiał strukturalny o wysokiej temperaturze w lotniczej, petrochemicznej, metalurgii i innych dziedzinach, takich jak produkcjapiece w wysokiej temperaturze, Rurki do pieca, podszewki pieca itp.

Inne aplikacje: NanoKrzemowa węglika jest również stosowana w magazynowaniu wodoru, fotokatalizy i wykryciu, wykazując szerokie perspektywy zastosowania.