硅-碳-氮系納米材料的低溫制備及相關(guān)性能研究.pdf

1、Si3N4、SiC及CNTs/SiC復(fù)合材料既是優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，又可作為功能材料，在軍事、商用、民用方面具有其它材料無可比擬的應(yīng)用前景;納米空心碳球具有密度低、比表面積大、本征阻尼性能好和生物相容性好等優(yōu)點，在電學(xué)、電化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值;氮摻雜碳材料在鋰離子電池負極方面有重要的應(yīng)用價值。因此這些材料的低溫、高效制備和性能研究具有重要的理論意義和實用價值。本論文旨在探索低溫制備納米Si3N4、SiC、CNTs/SiC復(fù)合

2、材料、納米空心碳球及氮-硫摻雜碳材料的有效途徑和相關(guān)性能，開展的主要工作如下:
　　 (1)通過有機硅CH3SiCl3與無機物NaN3之間的有機-無機反應(yīng)，在250℃左右的低溫下制備出直徑分布在40-100nm的Si3N4顆粒及短棒，其結(jié)晶度較高，為α-Si3N4和β-Si3N4的混合相。在250-550℃范圍內(nèi)，溫度升高有利于α相的生成。不同條件下的對比實驗發(fā)現(xiàn)，氮化硅的形成是通過CH3SiCl3與NaN3反應(yīng)先生成中間產(chǎn)物N

3、aSi2N3，NaSi2N3再繼續(xù)與CH3SiCl3和NaN3反應(yīng)，最終產(chǎn)生氮化硅納米晶。以其它的的氯硅烷(CH3)2SiCl2或(CH3)3SiCl取代CH3SiCl3作硅源與NaN3反應(yīng)，即使在550℃亦難以獲得純度較高的Si3N4納米晶。
　　 (2)通過Na和S或I2之間的低溫反應(yīng)在150℃左右誘發(fā)Si粉與石墨反應(yīng)制備SiC納米材料。使用Na和S作為輔助反應(yīng)物，產(chǎn)物為直徑50-70nm，長度達到幾個微米的表面光滑的彎曲S

4、iC納米線;若使用Na和I2作為輔助反應(yīng)物，產(chǎn)物為直徑30-50nm的表面粗糙的SiC納米線和直徑數(shù)十納米的SiC顆粒。輔助反應(yīng)物的加入量越多，越易在較低的溫度下反應(yīng)制備納米SiC，或在相同的溫度下制備的SiC結(jié)晶度越高。由于反應(yīng)在短時間可快速完成，保溫時間對產(chǎn)物影響不大。光致發(fā)光測試顯示彎曲的SiC納米線在3.22eV出現(xiàn)明顯的發(fā)光峰。
　　 (3)通過Na與S之間的反應(yīng)誘發(fā)Si粉與CNTs反應(yīng)在200℃左右的低溫下制備出CN

5、Ts/SiC復(fù)合材料，產(chǎn)物主要由直徑300-800nm的多孔SiC球與CNTs結(jié)合而成的一維結(jié)構(gòu)和少量分散的SiC納米顆粒組成，多孔SiC球由10nm左右的納米顆粒組成。吸波性能測試表明反應(yīng)溫度的升高利于提高產(chǎn)物的吸波性能，最大反射損失可達-38.7dB，對應(yīng)90％吸收的帶寬約為2GHz，CNTs與SiC之間的相界、SiC納米顆粒之間的晶界、堆垛層錯等缺陷引起的界面極化及多孔結(jié)構(gòu)引起的介電損耗是重要的吸波機制。
　　 (4)通過

6、Na與I2之間的反應(yīng)誘發(fā)Si粉與CNTs在200℃左右發(fā)生原位反應(yīng)制備出一維多孔CNTs/SiC納米復(fù)合材料。產(chǎn)物由嚴重刻蝕的CNTs和生長在上面的50nm左右的SiC顆粒組成，該結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的吸波性能，溫度越高，產(chǎn)物的吸波性能越好，當涂層厚度僅為2.0mm時，最大反射損失可達-44.2dB，在10.6-18GHz范圍吸收效率可達99％。懸掛鍵、界面、小尺寸效應(yīng)以及寬泛的尺寸分布是導(dǎo)致寬頻、高效吸收的主要原因。
　　 (5)以C

7、aC2和AlCl3·6H2O為反應(yīng)物在250℃左右的低溫下制備出直徑30nm左右的空心碳球，升高反應(yīng)溫度可提高空心碳球的石墨化程度。大量對比實驗表明，結(jié)晶水對空心碳球的形成具有重要作用，AlCl3具有促進碳球低溫石墨化的作用。CaC2與CaCl2·6H2O或MgCl2·6H2O在250℃左右反應(yīng)也可以制備空心碳球，通過不同條件下的對比實驗，只有在一種堿土金屬氯化物(CaCl2或MgCl2)和一種堿土金屬氫氧化物(Ca(OH)2或Mg(O

8、H)2)共同存在的情況下，以乙炔作碳源的反應(yīng)才能獲得具有高石墨化程度的空心碳球。對制備的空心碳球進行了電化學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)CaCl2·6H2O與CaC2反應(yīng)制備的空心碳球充放電性能高于AlCl3·6H2O與CaC2反應(yīng)制備的空心碳球。
　　 (6)通過吡咯在550℃左右直接裂解制備出直徑3-5μm的氮(9.74at.％)摻雜碳微米球，電化學(xué)測試表明，經(jīng)過了80次循環(huán)之后，可逆比容量為482mAh/g，庫侖效率為99.8％。通過吡