SiC一維納米材料的生產(chǎn)工藝及生長(zhǎng)機(jī)理研究.pdf

1、本文通過(guò)化學(xué)氣相反應(yīng)(CVR)法，采用經(jīng)高能球磨處理的Si-SiO2混合粉體和高純CH4為反應(yīng)原料，分別在單室可控氣氛爐和三室連續(xù)式真空可控氣氛爐中進(jìn)行了合成工藝的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了各工藝參數(shù)對(duì)SiC一維納米材料產(chǎn)量、形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)理的影響機(jī)制，獲得了在單室可控氣氛爐和三室連續(xù)生產(chǎn)式真空可控氣氛爐中的優(yōu)化工藝，并對(duì)其相應(yīng)的合成機(jī)理進(jìn)行了研究。這為SiC一維納米材料優(yōu)異性能的進(jìn)一步研究及其工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)。主要內(nèi)容包括以下幾

2、方面：
　　首先進(jìn)行了SiC一維納米材料的單室可控氣氛爐生產(chǎn)工藝優(yōu)化研究，主要包括反應(yīng)物用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和爐內(nèi)氣體壓力對(duì)SiC一維納米材料產(chǎn)量、形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)理的影響。通過(guò)增加反應(yīng)物用量時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并就產(chǎn)物沉積厚度的表征，分別得出了不同反應(yīng)物用量的最佳工藝條件：反應(yīng)溫度1300℃，反應(yīng)壓力(2g，20Pa；4g，30Pa和6g，30Pa)和反應(yīng)時(shí)間(2g，20min；4g，30m

3、in和6g，45min)。表征顯示：SiC納米線為β-SiC單晶體，生長(zhǎng)方向?yàn)閇111]方向，直徑約在80～120nm之間；采用單室可控氣氛爐進(jìn)行工藝生產(chǎn)時(shí)，SiC一維納米材料的最大沉積厚度可達(dá)100μm左右。
　　此外，我們研究了多步CVD工藝對(duì)SiC一維納米材料產(chǎn)量的影響規(guī)律。首次沉積得到的SiC納米線的直徑均勻，密度較大；再次沉積時(shí)，SiC納米線的的密度變小，多以懸浮態(tài)附著于首次沉積產(chǎn)物的表面，說(shuō)明CVD工藝沉積次數(shù)對(duì)SiC

4、一維納米材料的產(chǎn)量影響很?。何覀儼l(fā)現(xiàn)原料的上表面亦可收集到SiC納米線，其直徑更為均勻，且密度較大。還發(fā)現(xiàn)CVD工藝過(guò)程中，催化劑在SiC納米線表面不易附著，限制了SiC納米線的初始形核密度和后續(xù)的持續(xù)生長(zhǎng)，為SiC一維納米材料大量生產(chǎn)工藝的制定提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　其次，本文結(jié)合SiC一維納米材料的VLS生長(zhǎng)機(jī)制，在單室可控氣氛爐中對(duì)SiC一維納米材料生長(zhǎng)過(guò)程的不同階段的具體工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究了爐內(nèi)溫度與爐內(nèi)壓力變化對(duì)S

5、iC納米材料在不同生長(zhǎng)階段的影響機(jī)制。SiC一維納米材料主要在1000℃開(kāi)始形核；生長(zhǎng)階段最適宜的反應(yīng)溫度范圍為1200～1300℃，生長(zhǎng)終止階段，反應(yīng)室內(nèi)的壓力變化會(huì)導(dǎo)致SiC納米線端部生長(zhǎng)出現(xiàn)彎曲、纏繞及絮狀等形態(tài)，為可控合成SiC一維納米材料提供的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　最后，采用三室連續(xù)式真空可控氣氛爐制備出了大量的高質(zhì)量SiC納米線，初步確定了利用連續(xù)生產(chǎn)式真空可控氣氛爐大量生產(chǎn)SiC一維納米材料的可行性；采用ANSYS

6、workbench工程應(yīng)用分析軟件對(duì)反應(yīng)室內(nèi)氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)了反應(yīng)室的分氣裝置和原料的承載裝置；確定的優(yōu)選連續(xù)生產(chǎn)工藝為：反應(yīng)物的質(zhì)量為20g時(shí)，最佳生長(zhǎng)溫度為1300℃，甲烷的最佳通氣流量為0.2slm，最適通氣時(shí)間為30min，其中所需的生長(zhǎng)時(shí)間為90min，SiC一維納米材料的生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)量最大。表征顯示：SiC納米線為β-SiC單晶體，生長(zhǎng)方向?yàn)閇111]方向，直徑約在80～100nm之間，密度較大。該工藝為SiC一