【原创】纳米碳化硅的应用及其制备方法概述

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碳化硅纳米材料除了具有热传导率高、热稳定性强、抗氧化、耐化学腐蚀、热膨胀系数低、热传导率高、化学稳定性能好、机械性能高等特点，还具有高的禁带宽度，小的介电常数和较高的电子饱和迁移率，高的临界击穿电场和热导率等许多优良的特性。以SiC单晶制作的电子、光电子等器件，在航空航天、雷达通讯、汽车及石油钻探、高温辐射环境等特殊环境下具有广泛的应用前景。同时它的其它独特的光、电、及优异的机械性在许多领域都有极为广泛的和潜在的应用价值。

1 纳米碳化硅的应用

1.1 纳米碳化硅的机械性能及其在复合材料中的应用

碳化硅晶须具有高的强度、硬度和弹性模量，重量轻、耐热、耐腐蚀、化学性质稳定等优良特性，目前已在众多领域如汽车轮船、航空航天、化学化工等领域得到了很好的应用，还被誉为“晶须之王”。到目前为止，科学家已经能在微观领域测量并计算出单根晶须的力学性质，研究表明线状碳化硅的抗拉伸和弯曲强度要比块状的碳化硅陶瓷结构好很多，因此，碳化硅纳米线可作为性能更优异的复合材料增强体，在增强高分子聚合物、陶瓷和金属材料方面收效很好，具有广阔的应用前景。

在航空航天中，直升飞机的螺旋桨还有喷气式飞机的涡轮叶片等添加增强体后，就能更好地应对空气阻力；碳化硅与金属铝复合材料，具有高的强度、韧性、耐热和耐疲劳性，应用于汽车、火车及体育运动器材的机械部分和零部件；碳化硅应用于陶瓷复合材料可显著地改善陶瓷原有的脆性等不足，同时也能提高它的高温耐热性，可作为高温耐腐蚀化学反应釜材料等，也可用于军事和天文科学领域，吸收雷达波，可作为火箭、导弹、飞机等的隐身结构材料。

1.2 纳米碳化硅与催化剂载体

高比表面积历来是催化剂载体要考察的重要性能之一，而高比表面积碳化硅由于材料本身具有的优异性能，使其在作为催化剂载体时，具有优于其它载体的性能。与传统载体氧化铝、氧化硅等相比较，SiC材料的优异性主要体现在以下几个方面件：1）热导率高，耐热性强；2）化学稳定性高；3）机械强度高，不易破碎；4）热膨胀率低。

1.3 纳米碳化硅的场发射性质

SiC纳米线阵列具有低的开启电压和阈值电压，高的电流密度，场发射性能稳定，是一种理想的场发射阴极材料。同时，其化学性质稳定、耐高温高压、耐腐蚀等性能，使其在微电子器件领域的应用十分广阔。

1.4 纳米碳化硅的光电性能

碳化硅也是较早发现的发光材料之一，在低温环境下，碳化硅能发出蓝光，人们利用碳化硅的宽禁带特点制造类蓝光发光二极管。由于其间接带隙的特点，它的蓝光强度非常弱，稳定性也很差，使碳化硅的发光效率极低，从而限制了它的应用范围。为了提高碳化硅发光效率，人们想出了很多的改进措施，其中包括制备非晶碳化硅、多孔单晶碳化硅和多孔碳化硅。

2 纳米碳化硅的制备方法

2.1 形貌记忆合成法

其主要含义是起始固体反应物的宏观结构在合成反应前后还能够得到一定程度保持。1988年法国人Ledoux和他的同事首次提出并采用该方法制备了高比表面积碳化硅和不同结构的SiC材料。之后人们沿用这种方法，制备出了碳化硅纳米线、纳米管、纳米球及高比表面碳化硅等。

2.2 溶胶-凝胶和碳热还原法

溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米结构的材料。由于它成本低，工艺过程简单，以及相对较低的反应温度，成为制备碳化硅的常用方法。溶胶凝胶法过去常用于制备碳化硅粉末，碳化硅纤维和碳化硅晶须，现在也用来制备一些先进的碳化硅材料如纳米线、纳米棒、纳米颗粒或纳米晶须等。

由于溶胶凝胶过程能够得到均匀的SiC而受到关注。在反应过程中一般采用炭黑、活性炭、碳纤维、酚醛树脂、淀粉、蔗糖等作为碳源，以硅酸的溶胶体为硅源。也有人采用有机硅的高聚体（即在同一分子中既有碳源也有硅源）通过热解得到碳化硅。

2.3 碳纳米管限制反应

碳纳米管限制反应是一种通过碳纳米管与挥发性金属氧化物、氯化物反应合成一维纳米材料的方法。选择该种方法的前提是由于碳纳米管耐高温、碳原子的蒸气压低，当系统中增加一种较高蒸气压的物质，那将可能使其分子迁移到碳纳米管的周围，附着在它的表面或扩散到其内部。由于反应被限制在碳纳米管中，导致生成的碳化硅只能具有一维形态。

2.4 化学气相沉积法

化学气相沉积法通常是指反应物经化学反应和凝结过程，生成特定产物的方法。化学气相沉积可以是单一化合物的热分解，该化合物必须具备产物所需的全部元素。另外，还可以通过两种以上物质之间的气相反应，这种方法可以有多种组合。其优点是可以制备出纯度很高的碳化硅。

2.5 弧光放电法

弧光放电法是制备纳米碳化硅的最重要的方法之一。其原理是利用弧光放电可以使反应的温度高达2000℃以上，使反应物加速合成，同时可促使催化剂和其它杂质在高温下挥发掉，得到纯度较高的纳米碳化硅颗粒和碳化硅纳米线。

2.6 其它方法

化学腐蚀法：化学腐蚀是把微米量级的SiC粉末放在腐蚀液中并通过光照或加热的方式进行腐蚀而得到样品的方法。

电化学腐蚀法：是在阳极放置要腐蚀的样品，比如Si、SiC多晶片等，在阴极加钼、铂等金属电极，再加电流，辅以光照等，对阳极样品进行腐蚀来得到多孔纳米材料。

磁控溅射法：把碳离子和硅离子溅射到二氧化硅衬底上，然后通过高温退火处理，最后得到SiC纳米颗粒。

资料来源：

和丽芳.纳米碳化硅材料的制备及应用.山西大学

郭潇潇.碳化硅纳米颗粒的制备、发光性质及相变的研究.东南大学