納米碳化硅的應(yīng)用及其制備方法概述

碳化硅納米材料除了具有熱傳導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性能好、機(jī)械性能高等特點(diǎn)，還具有高的禁帶寬度，小的介電常數(shù)和較高的電子飽和遷移率，高的臨界擊穿電場和熱導(dǎo)率等許多優(yōu)良的特性。以SiC單晶制作的電子、光電子等器件，在航空航天、雷達(dá)通訊、汽車及石油鉆探、高溫輻射環(huán)境等特殊環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景。同時它的其它獨(dú)特的光、電、及優(yōu)異的機(jī)械性在許多領(lǐng)域都有極為廣泛的和潛在的應(yīng)用價值。

1 納米碳化硅的應(yīng)用

1.1 納米碳化硅的機(jī)械性能及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用

碳化硅晶須具有高的強(qiáng)度、硬度和彈性模量，重量輕、耐熱、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良特性，目前已在眾多領(lǐng)域如汽車輪船、航空航天、化學(xué)化工等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，還被譽(yù)為“晶須之王”。到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)能在微觀領(lǐng)域測量并計(jì)算出單根晶須的力學(xué)性質(zhì)，研究表明線狀碳化硅的抗拉伸和彎曲強(qiáng)度要比塊狀的碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)好很多，因此，碳化硅納米線可作為性能更優(yōu)異的復(fù)合材料增強(qiáng)體，在增強(qiáng)高分子聚合物、陶瓷和金屬材料方面收效很好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在航空航天中，直升飛機(jī)的螺旋槳還有噴氣式飛機(jī)的渦輪葉片等添加增強(qiáng)體后，就能更好地應(yīng)對空氣阻力；碳化硅與金屬鋁復(fù)合材料，具有高的強(qiáng)度、韌性、耐熱和耐疲勞性，應(yīng)用于汽車、火車及體育運(yùn)動器材的機(jī)械部分和零部件；碳化硅應(yīng)用于陶瓷復(fù)合材料可顯著地改善陶瓷原有的脆性等不足，同時也能提高它的高溫耐熱性，可作為高溫耐腐蝕化學(xué)反應(yīng)釜材料等，也可用于軍事和天文科學(xué)領(lǐng)域，吸收雷達(dá)波，可作為火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等的隱身結(jié)構(gòu)材料。

1.2 納米碳化硅與催化劑載體

高比表面積歷來是催化劑載體要考察的重要性能之一，而高比表面積碳化硅由于材料本身具有的優(yōu)異性能，使其在作為催化劑載體時，具有優(yōu)于其它載體的性能。與傳統(tǒng)載體氧化鋁、氧化硅等相比較，SiC材料的優(yōu)異性主要體現(xiàn)在以下幾個方面件：1）熱導(dǎo)率高，耐熱性強(qiáng)；2）化學(xué)穩(wěn)定性高；3）機(jī)械強(qiáng)度高，不易破碎；4）熱膨脹率低。

1.3 納米碳化硅的場發(fā)射性質(zhì)

SiC納米線陣列具有低的開啟電壓和閾值電壓，高的電流密度，場發(fā)射性能穩(wěn)定，是一種理想的場發(fā)射陰極材料。同時，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫高壓、耐腐蝕等性能，使其在微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣闊。

1.4 納米碳化硅的光電性能

碳化硅也是較早發(fā)現(xiàn)的發(fā)光材料之一，在低溫環(huán)境下，碳化硅能發(fā)出藍(lán)光，人們利用碳化硅的寬禁帶特點(diǎn)制造類藍(lán)光發(fā)光二極管。由于其間接帶隙的特點(diǎn)，它的藍(lán)光強(qiáng)度非常弱，穩(wěn)定性也很差，使碳化硅的發(fā)光效率極低，從而限制了它的應(yīng)用范圍。為了提高碳化硅發(fā)光效率，人們想出了很多的改進(jìn)措施，其中包括制備非晶碳化硅、多孔單晶碳化硅和多孔碳化硅。

2 納米碳化硅的制備方法

2.1 形貌記憶合成法

其主要含義是起始固體反應(yīng)物的宏觀結(jié)構(gòu)在合成反應(yīng)前后還能夠得到一定程度保持。1988年法國人Ledoux和他的同事首次提出并采用該方法制備了高比表面積碳化硅和不同結(jié)構(gòu)的SiC材料。之后人們沿用這種方法，制備出了碳化硅納米線、納米管、納米球及高比表面碳化硅等。

2.2 溶膠-凝膠和碳熱還原法

溶膠-凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米結(jié)構(gòu)的材料。由于它成本低，工藝過程簡單，以及相對較低的反應(yīng)溫度，成為制備碳化硅的常用方法。溶膠凝膠法過去常用于制備碳化硅粉末，碳化硅纖維和碳化硅晶須，現(xiàn)在也用來制備一些先進(jìn)的碳化硅材料如納米線、納米棒、納米顆?；蚣{米晶須等。

由于溶膠凝膠過程能夠得到均勻的SiC而受到關(guān)注。在反應(yīng)過程中一般采用炭黑、活性炭、碳纖維、酚醛樹脂、淀粉、蔗糖等作為碳源，以硅酸的溶膠體為硅源。也有人采用有機(jī)硅的高聚體（即在同一分子中既有碳源也有硅源）通過熱解得到碳化硅。

2.3 碳納米管限制反應(yīng)

碳納米管限制反應(yīng)是一種通過碳納米管與揮發(fā)性金屬氧化物、氯化物反應(yīng)合成一維納米材料的方法。選擇該種方法的前提是由于碳納米管耐高溫、碳原子的蒸氣壓低，當(dāng)系統(tǒng)中增加一種較高蒸汽壓的物質(zhì)，那將可能使其分子遷移到碳納米管的周圍，附著在它的表面或擴(kuò)散到其內(nèi)部。由于反應(yīng)被限制在碳納米管中，導(dǎo)致生成的碳化硅只能具有一維形態(tài)。

2.4 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法通常是指反應(yīng)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)和凝結(jié)過程，生成特定產(chǎn)物的方法。化學(xué)氣相沉積可以是單一化合物的熱分解，該化合物必須具備產(chǎn)物所需的全部元素。另外，還可以通過兩種以上物質(zhì)之間的氣相反應(yīng)，這種方法可以有多種組合。其優(yōu)點(diǎn)是可以制備出純度很高的碳化硅。

2.5 弧光放電法

弧光放電法是制備納米碳化硅的最重要的方法之一。其原理是利用弧光放電可以使反應(yīng)的溫度高達(dá)2000℃以上，使反應(yīng)物加速合成，同時可促使催化劑和其它雜質(zhì)在高溫下?lián)]發(fā)掉，得到純度較高的納米碳化硅顆粒和碳化硅納米線。

2.6 其它方法

化學(xué)腐蝕法：化學(xué)腐蝕是把微米量級的SiC粉末放在腐蝕液中并通過光照或加熱的方式進(jìn)行腐蝕而得到樣品的方法。

電化學(xué)腐蝕法：是在陽極放置要腐蝕的樣品，比如Si、SiC多晶片等，在陰極加鉬、鉑等金屬電極，再加電流，輔以光照等，對陽極樣品進(jìn)行腐蝕來得到多孔納米材料。

磁控濺射法：把碳離子和硅離子濺射到二氧化硅襯底上，然后通過高溫退火處理，最后得到SiC納米顆粒。