纳米碳化硅材料
摘要：本文主要讨论的是关于纳米碳化硅材料的结构、性能及其应用，主要在其光学性质、力学性质等方面对其进行讨论。
关键词：纳米碳化硅光学性质力学性质
1. 引言
SiC纳米材料具有高的禁带宽度，高的临界击穿电场和热导率，小的介电常数和较高的电子饱和迁移率，以及抗辐射能力强，机械性能好等特性，成为制作高频、大功率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的电子和光电子器件的理想材料。SiC 纳米线表现出的室温光致发光性，使其成为制造蓝光发光二极管和激光二极管的理想材料。近年来的研究表明：微米级SiC晶须已被应用于增强陶瓷基、金属基和聚合物基复合材料，这些复合材料均表现出良好的机械性能，可以想象用强度硬度更高及长径比更大的SiC 一维纳米材料作为复合材料的增强相，将会使其性能得到进一步增强。随着研究的深入，研究者还发现一维SiC纳米结构在储氢、光催化和传感等领域都有广泛的应用前景。
2. 纳米碳化硅结构
碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。SiC 具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC
缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H 多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，
也是非常稳定的。下面是三种SiC多形体结构图
3.纳米碳化硅的力学性能及应用
利用纳米碳化硅填充改性聚合物已经非常的普遍，例如对PTFE复合材料的力学性能改性、改良环氧树脂的物理力学性质等。
纳米碳化硅改性PTFE复合材料的力学性能：
在XX农业大学路琴博士对纳米SiC改性PTFE复合材料的实验中，以原材料（PTFE为白色粉末,平均粒径30Lm,XX化工厂生产。纳米SiC为浅褐色粉末状,平均粒径80 nm,纯度>99.1%,XX开尔纳米材料XX生产），然后将纳米SiC按质量分数3%、5%、7%、9%和PTFE粉料在高速混合机中混合10 min,用60目筛网过筛,然后将混合物倒入模具压缩腔内,置于压力机上在50 MPa压力下冷压成型。保
压时间10 min,然后脱模得到PTFE及其复合材料预制品,再将预制品烧结成型得到5种PTFE复合材料。所得PTFE复合材料坯件表面光滑,无裂纹、无明显变形。采用裁样机制成尺寸为90 mm *8 mm *6 mm用于力学性能性能测试。
纳米SiC填充PTFE复合材料的硬度测试结果见图1。
可见,随着纳米SiC含量的增加,PTFE复合材料的硬度明显增大,当纳米SiC质量分数为7%时,PTFE复合材料的硬度为95HRB,比PTFE硬度(HRB65)提高46%,当纳米SiC含量大于7%后,硬度基本不变。这是因为纳米SiC颗粒的表面能和表面X力随粒径的减小急剧增大,它的硬度比基体材料的硬度要高得多;再加上纳米SiC颗粒均匀地分布在PTFE表面和基体中,充当了刚硬支撑点的作用,类似于“物理交联”,结果使PTFE的硬度得到提高。
图2所示为不同含量的纳米SiC填充PTFE复合材料的拉伸强度测试结果。可以看出,纳米SiC的加入,使PTFE填充复合材料的拉伸强度有所降低,且当纳米SiC 含量大于7%后,拉伸强度急剧下降。由试样的应力-应变曲线分析,PTFE试样拉伸是韧性断裂,而加入纳米SiC粒子后,随纳米SiC添加量的增加,复合材料拉伸断裂逐渐转变为脆性断裂。
由此得出纳米SiC能够显著提高PTFE复合材料的硬度,但拉伸强度有所降低。
3.纳米碳化硅的光学性质及应用
SiC发光是较早为人们发现的发光现象之一。人们一直对SiC在集成电路及光电子学领域的应用抱有巨大的希望。然而,SiC作为间接带隙半导体,只在低温下获得它在480nm处的弱蓝色发光。用SiC制备的LED发蓝光的量子效率为0.0001%,发光效率只有0.0000014 lm / W ,这个结果令科学界大为失望。然而纳米
晶材料的成功制备却给SiC在
光学通信、光电子集成、发光
器件和显示器件的应用潜力
带来了希望。纳米SiC晶须在
紫外光的照射下会发出较强
的460nm处的蓝光。但用其他
类型或波段的激发光源,使SiC纳米晶须产生发光现象的研究尚未见报道,今用Ar 离子激光(514nm)激发纳米SiC晶须发出了非常强的红光,以下是这一现象的初步研究结果。
用Sol-gel法制备的SiC纳米晶须膜进行激光激发光谱试验。SiC纳米晶须的制备的详细工艺见文献,实验测试仪器有RenishawMKE-1000光谱仪,激发光源为Ar离子(带514nm线单色滤光片);X射线衍射仪为D/max-ⅢB型,透射电子显微镜为Philips-BC12型。室温下测量。
SiC纳米晶须的TEM显微镜照片如左图所示,全部为晶须,其中的三角形或不规则形状晶体为晶须集合体,其直径为2-4nm,长度为40-60nm,较为均匀。它的X 射线衍射图如下图所示,峰位很纯,且衍射峰宽化,表明它为结晶良好,纯度极高的单相B-SiC纳米多晶膜。
由于Ar+激光及瑞利散射的高亮度绿光淹没了红色光谱,但经仔细观察后,可看到红光。
下图为其光致发光的实验结果。图中从左到右,波长减少,其单位为nm,它的
发光谱峰位于654.93nm处,经多次验证为极强的红光。它的强度比514nm处Ar+激光的瑞利散射高得多。用光功率计测试654.93nm处的红光功率,经计算得到量子效率为20%-40%,发光效率为0.6-0.9lm/W。
不仅如此,在同种光源的某种激发条件下,除观察到红光,还出现绿色喇曼激光,而且强度也很大,这将在随后报道。这一观察结果与SiC具有强发光源的功率呈线性增加的趋势,如下图所示。
SiC纳米晶须具有宏观晶体所没有的特殊性质,如表面效应等,它是由量子限域效应产生的。SiC纳米晶须是一维量子线,其表面异向性非常明显。如果激发光源为高频时,发光峰会向高能区方向移动;反之,使发光峰会在低能区出现,这是纳米SiC的新的特点。SiC晶须是一维晶体,更凸显了异向特征,强化了电子云的波动特征,导致了高效率发光。
SiC纳米晶须光发光,是由于量子限域效应而非能级跃迁或者是发光中心所致。纳米晶须的发光会显示出巨大的应用潜力。这预示着可以用纳米粉体来取代传统的LED,纳米SiC晶须在Ar+激光激发下的发光现象,说明宽禁带半导体材料可以在不同的光源下发出不同波长的光,从而实现输出光的频率可以由输入光信号的频率自由调制。
5.各领域纳米碳化硅的应用
6. 结语
SiC纳米材料比传统的SiC材料具有更优异的性能，能够达到高新技术领域的严格要求，作为一种具有广泛用途的纳米结构材料，对其进行深入而广泛的研究是很有意义的。目前正在研究的SiC纳米材料的制备方法都存在产量小、成本高、工序复杂等缺点，如何降低成本、扩大规模是未来SiC纳米材料制备研究的重点。为使SiC纳米材料具有更为广泛的用途，须要进一步加大对SiC纳米材料的应用研究，以应用研究促进基础研究，拓宽SiC纳米材料的应用领域，从而更好的为人类社会服务。
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