Kiselkarbid nanomaterial

Kiselkarbid nanomaterial

Kiselkarbid nanomaterial (SiC nanomaterial) avser material som består avkiselkarbid (SiC)med minst en dimension i nanometerskalan (vanligtvis definierad som 1-100nm) i tredimensionellt rymd. Kiselkarbid nanomaterial kan klassificeras i nolldimensionella, endimensionella, tvådimensionella och tredimensionella strukturer enligt deras struktur.

Nolldimensionella nanostrukturerär strukturer vars alla dimensioner är på nanometerskalan, huvudsakligen inklusive solida nanokristaller, ihåliga nanosfärer, ihåliga nanocages och kärn-skal nanosfärer.

Endimensionella nanostrukturerhänvisar till strukturer där två dimensioner är begränsade till nanometerskalan i tredimensionellt rymd. Denna struktur har många former, inklusive nanotrådar (fast centrum), nanorör (ihåligt centrum), nanobälten eller nanobälten (smal rektangulär tvärsektion) och nanoprismor (prismaformad tvärsektion). Denna struktur har blivit fokus för intensiv forskning på grund av dess unika tillämpningar inom mesoskopisk fysik och tillverkning av enheter i nanoskala. Till exempel kan bärare i endimensionella nanostrukturer bara fortplanta sig i en riktning av strukturen (d.v.s. längdriktningen av nanotråden eller nanoröret), och kan användas som sammankopplingar och nyckelenheter inom nanoelektronik.

Tvådimensionella nanostrukturer, som bara har en dimension på nanoskala, vanligtvis vinkelrätt mot deras lagerplan, såsom nanosheets, nanosheets, nanosheets och nanospheres, har fått särskild uppmärksamhet nyligen, inte bara för den grundläggande förståelsen av deras tillväxtmekanism, utan också för att utforska deras potential applikationer inom ljussändare, sensorer, solceller m.m.

Tredimensionella nanostrukturerkallas vanligtvis komplexa nanostrukturer, som bildas av en samling av en eller flera grundläggande strukturella enheter i nolldimensionella, endimensionella och tvådimensionella (såsom nanotrådar eller nanorods förbundna med enkristallövergångar), och deras övergripande geometriska dimensioner är på nanometer- eller mikrometerskalan. Sådana komplexa nanostrukturer med hög ytarea per volymenhet ger många fördelar, såsom långa optiska vägar för effektiv ljusabsorption, snabb gränssnittsladdningsöverföring och avstämbara laddningstransportmöjligheter. Dessa fördelar gör det möjligt för tredimensionella nanostrukturer att förbättra designen i framtida energiomvandlings- och lagringstillämpningar. Från 0D till 3D-strukturer har en mängd olika nanomaterial studerats och gradvis introducerats i industrin och det dagliga livet.

Syntesmetoder av SiC nanomaterial

Nolldimensionella material kan syntetiseras med smältmetod, elektrokemisk etsmetod, laserpyrolysmetod etc. för att erhållaSiC fastnanokristaller som sträcker sig från några nanometer till tiotals nanometer, men är vanligtvis pseudo-sfäriska, som visas i figur 1.

Figur 1 TEM-bilder av β-SiC nanokristaller framställda med olika metoder

(a) Solvotermisk syntes[34]; (B) Elektrokemisk etsmetod[35]; c) Värmebehandling[48]. (d) Laserpyrolys[49]

Dasog et al. syntetiserade sfäriska β-SiC-nanokristaller med kontrollerbar storlek och klar struktur genom dubbelnedbrytningsreaktion i fast tillstånd mellan SiO2, Mg och C-pulver [55], som visas i figur 2.

Figur 2 FESEM-bilder av sfäriska SiC-nanokristaller med olika diametrar[55]

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

Ångfasmetod för odling av SiC nanotrådar. Gasfassyntes är den mest mogna metoden för att bilda SiC nanotrådar. I en typisk process genereras ångsubstanser som används som reaktanter för att bilda slutprodukten genom avdunstning, kemisk reduktion och gasformig reaktion (kräver hög temperatur). Även om hög temperatur ökar ytterligare energiförbrukning, har SiC nanotrådarna som odlas med denna metod vanligtvis hög kristallintegritet, klara nanotrådar/nanostavar, nanoprismor, nanonålar, nanorör, nanobälten, nanokabel, etc., som visas i figur 3.

Figur 3. Typiska morfologier av endimensionella SiC nanostrukturer 

(a) Nanotrådarrayer på kolfibrer; (b) Ultralånga nanotrådar på Ni-Si-kulor; (c) Nanotrådar; (d) Nanoprismer; (e) Nanobambu; (f) Nanonålar; (g) Nanoben; (h) Nanokedjor; (i) Nanorör

Lösningsmetod för framställning av SiC nanotrådar. Lösningsmetoden används för att preparera SiC nanotrådar, vilket sänker reaktionstemperaturen. Metoden kan innefatta kristallisering av en lösningsfasprekursor genom spontan kemisk reduktion eller andra reaktioner vid en relativt mild temperatur. Som representanter för lösningsmetoden har solvotermisk syntes och hydrotermisk syntes vanligen använts för att erhålla SiC nanotrådar vid låga temperaturer.

Tvådimensionella nanomaterial kan framställas med solvotermiska metoder, pulsade lasrar, termisk kolreduktion, mekanisk exfoliering och förbättrad mikrovågsplasmaCVD. Ho et al. realiserade en 3D SiC nanostruktur i form av en nanotrådsblomma, som visas i figur 4. SEM-bilden visar att den blomliknande strukturen har en diameter på 1-2 μm och en längd på 3-5 μm.

Figur 4 SEM-bild av en tredimensionell SiC nanotrådsblomma

Prestanda för SiC nanomaterial

SiC nanomaterial är ett avancerat keramiskt material med utmärkt prestanda, som har goda fysikaliska, kemiska, elektriska och andra egenskaper.

✔ Fysiska egenskaper

Hög hårdhet: Mikrohårdheten hos nanokiselkarbid ligger mellan korund och diamant, och dess mekaniska hållfasthet är högre än korund. Den har hög slitstyrka och god självsmörjning.

Hög värmeledningsförmåga: Nanokiselkarbid har utmärkt värmeledningsförmåga och är ett utmärkt värmeledande material.

Låg termisk expansionskoefficient: Detta gör att nano-kiselkarbid kan bibehålla en stabil storlek och form under höga temperaturer.

Hög specifik yta: En av egenskaperna hos nanomaterial, det bidrar till att förbättra dess ytaktivitet och reaktionsprestanda.

✔ Kemiska egenskaper

Kemisk stabilitet: Nanokiselkarbid har stabila kemiska egenskaper och kan bibehålla sin prestanda oförändrad under olika miljöer.

Antioxidation: Det kan motstå oxidation vid höga temperaturer och uppvisar utmärkt högtemperaturbeständighet.

✔Elektriska egenskaper

Högt bandgap: Det höga bandgapet gör det till ett idealiskt material för att tillverka elektroniska enheter med hög frekvens, hög effekt och låg energi.

Hög elektronmättnadsmobilitet: Det bidrar till snabb överföring av elektroner.

✔Andra egenskaper

Starkt strålningsmotstånd: Det kan upprätthålla stabil prestanda i en strålningsmiljö.

Goda mekaniska egenskaper: Den har utmärkta mekaniska egenskaper såsom hög elasticitetsmodul.

Användning av SiC nanomaterial

Elektronik och halvledarenheter: På grund av dess utmärkta elektroniska egenskaper och hög temperaturstabilitet används nanokiselkarbid i stor utsträckning i högeffekts elektroniska komponenter, högfrekvensenheter, optoelektroniska komponenter och andra områden. Samtidigt är det också ett av de idealiska materialen för tillverkning av halvledarenheter.

Optiska applikationer: Nano-kiselkarbid har ett brett bandgap och utmärkta optiska egenskaper och kan användas för att tillverka högpresterande lasrar, lysdioder, solceller, etc.

Mekaniska delar: Genom att dra fördel av sin höga hårdhet och slitstyrka har nanokiselkarbid ett brett spektrum av applikationer vid tillverkning av mekaniska delar, såsom höghastighetsskärverktyg, lager, mekaniska tätningar, etc., vilket avsevärt kan förbättra slitaget. delarnas motstånd och livslängd.

Nanokompositmaterial: Nano-kiselkarbid kan kombineras med andra material för att bilda nanokompositer för att förbättra materialets mekaniska egenskaper, värmeledningsförmåga och korrosionsbeständighet. Detta nanokompositmaterial används ofta inom flyg-, bilindustrin, energiområdet, etc.

Högtemperaturkonstruktionsmaterial: Nanokiselkarbidhar utmärkt högtemperaturstabilitet och korrosionsbeständighet och kan användas i extrema högtemperaturmiljöer. Därför används det som ett högtemperaturstrukturmaterial inom flyg-, petrokemi, metallurgi och andra områden, såsom tillverkninghögtemperaturugnar, ugnsrör, ugnsfoder osv.

Andra applikationer: Nanokiselkarbid används också i vätelagring, fotokatalys och avkänning, vilket visar breda tillämpningsmöjligheter.