專(zhuān)利名稱(chēng)：化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/二氧化硅納米電纜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸納米電纜的制備方法領(lǐng)域，具體涉及一種化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/二氧化硅納米電纜的方法。
背景技術(shù)：
同軸納米電纜是指內(nèi)核為半導(dǎo)體的納米絲，外包覆異質(zhì)納米殼體(導(dǎo)體或絕緣體)，外部的殼體和內(nèi)核是共軸的。由晶體SiC內(nèi)核和非晶SiO2外殼組成的碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)核/外層)同軸納米電纜不僅在軸向具有納米線(xiàn)和納米管的雙重結(jié)構(gòu)，而且在徑向上具有理想的半導(dǎo)體-絕緣體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)核/外層)同軸納米電纜在許多應(yīng)用領(lǐng)域都具有很大的潛力。碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)核/外層)同軸納米電纜的合成有很多方法，包括硅凝膠碳熱還原法、激光燒蝕法、溶膠凝膠法、電弧放電法等。 文獻(xiàn) K. F. Cai, et.al, Ultra thin and ultra long SiC/Si02 nanocables fromcatalytic pyrolysis of poly (dimethyl siloxane), Nanotechnology, Volume 18,Issue48,1 November2007, pages 1_6報(bào)道了一種催化裂解聚二甲基娃氧燒制備碳化娃/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜的方法。首先將聚二甲基硅氧烷與催化劑二茂鐵混合均勻后放入反應(yīng)室內(nèi)；接著用自制裝置排盡反應(yīng)室內(nèi)空氣，同時(shí)通氬氣保護(hù)；隨后將反應(yīng)爐以10°C rnirf1的速度加熱至1050°C，在1050°C下反應(yīng)兩小時(shí)后自然冷卻。結(jié)果得到大量白色棉花狀的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物均為外包非晶SiO2的同軸納米電纜，其中85%產(chǎn)物的直徑為5-lOnm,其他產(chǎn)物的直徑為 10_50nm。文獻(xiàn) B. S. Li, et.al, Simultaneous growth of SiCnanowires, SiC nanotubes, and SiC/Si02 core-shell nanocables, Journal of Alloysand Compounds, Volume462, Issuel-2, August2008, pages446_451 報(bào)道了一種加熱蒸發(fā)娃粉與碳納米管直接反應(yīng)制備出碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜的方法。首先將高純硅粉置于石墨坩堝內(nèi)，然后在粉料上方放置一個(gè)氧化鋁柵格，再將多壁碳納米管疏松地鋪在柵格上，最后將石墨坩堝放入立式石墨爐內(nèi)，抽真空升溫至1450°C保溫I小時(shí)后，斷電降溫。結(jié)果在石墨坩堝的內(nèi)壁得到了大量的棉絮狀的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物為碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜，SiC內(nèi)芯直徑為20-30nm，非晶SiO2外層厚度大約20nm，長(zhǎng)度達(dá)幾十個(gè)微米。以上所述的兩種方法工藝比較復(fù)雜且不易控制，更重要的是產(chǎn)物的純度、均勻性不好，因此需要一種工藝簡(jiǎn)單，容易控制，且產(chǎn)物純凈、均勻的制備碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜的方法。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/ 二氧化硅納米電纜的方法，通過(guò)該方法可以簡(jiǎn)單高效地合成出大量純凈、均勻的碳化硅/二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜。技術(shù)方案一種化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/ 二氧化硅納米電纜的方法，其特征在于結(jié)晶的SiC納米線(xiàn)為內(nèi)芯，非晶的SiO2為外層，具體步驟如下步驟I :將碳/碳復(fù)合材料打磨拋光后用蒸餾水洗滌干凈，在烘箱中烘干；步驟2 :將烘干的碳/碳復(fù)合材料置于硝酸鎳水溶液中，浸泡至表面沒(méi)有氣泡，取出碳/碳復(fù)合材料在烘箱中烘干；所述硝酸鎳水溶液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10% 50% ;步驟3 :采用一束碳纖維將步驟2處理過(guò)的碳/碳復(fù)合材料捆綁后懸掛于立式氣相沉積爐中；
步驟4 :將沉積爐抽真空至2000Pa，保真空30分鐘，再通氬氣至常壓，此過(guò)程重復(fù)三次；步驟5 :通電升溫，在升溫過(guò)程中通氬氣保護(hù)，當(dāng)爐溫升到1050°C 1300°C，然后向裝有甲基三氯硅烷的鼓泡瓶中通入載氣氫氣，以50 200sccm的流量值將反應(yīng)氣源甲基三氯硅烷帶入爐堂內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)稀釋氬氣及稀釋氫氣流量分別為200 SOOsccm和100 eOOsccm，沉積10分鐘 120分鐘后斷電降溫得到，降溫過(guò)程中通氬氣保護(hù)，得到碳化硅/二氧化硅同軸納米電纜。所述碳/碳復(fù)合材料為多孔碳/碳復(fù)合材料,密度為I. 68 I. 75g/cm3,試樣尺寸為 20 X 10 X 5mm3 ο所述的氫氣和氬氣的純度大于99. 99%。所述的甲基三氯硅烷的含量大于98%。有益效果本發(fā)明提出的一種化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/ 二氧化硅納米電纜的方法，合成工藝簡(jiǎn)單，不需要預(yù)先合成工藝；碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜在常壓下制得，對(duì)設(shè)備的要求低；沉積溫度較低，降低了制備成本；此外，還有一個(gè)突出的特點(diǎn)是可以通過(guò)調(diào)整沉積工藝參數(shù)有效控制碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜的純度和均勻性。這些優(yōu)點(diǎn)讓大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜成為可能。


圖I是本發(fā)明所述的碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜制備方法實(shí)例I產(chǎn)物的掃描電鏡照片；圖2是本發(fā)明所述的碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜制備方法實(shí)例I產(chǎn)物的X射線(xiàn)衍射圖譜；圖3是本發(fā)明所述的碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜制備方法實(shí)例I產(chǎn)物的透射電鏡照片及能譜圖；圖4 :是本發(fā)明所述的碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜制備方法實(shí)例2產(chǎn)物的掃描電鏡照片；圖5 :是本發(fā)明所述的碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜制備方法實(shí)例3產(chǎn)物的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)例I :將密度大約為I. 70g/cm3的碳/碳復(fù)合材料加工成20 X 10 X 5mm3的試樣，依次用800號(hào)、1000號(hào)砂紙打磨后用蒸餾水超聲洗滌干凈，于120°C烘箱中烘干后，浸泡于質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為50%的硝酸鎳水溶液中，直至試樣表面沒(méi)有氣泡，取出試樣后在80°C烘箱中烘干，作為沉積基體。用一束碳纖維將浸泡后的碳/碳復(fù)合材料捆扎后懸掛于立式化學(xué)氣相沉積爐沉積區(qū)域中。將沉積爐抽真空至2000Pa，保真空30分鐘確定沉積爐密封性能完好，再通氬氣至常壓，此過(guò)程重復(fù)三次。然后以10°C /min的速率將沉積爐升溫至以1100°C，升溫過(guò)程中以400sCCm的流量向沉積爐中通氬氣，出氣口保持打開(kāi)狀態(tài)，沉積爐堂內(nèi)保持為常壓狀態(tài)。到溫后，向裝有甲基三氯硅烷的鼓泡瓶中通入載氣氫氣，流量為200sCCm，將反應(yīng)氣源甲基 三氯硅烷帶入爐堂內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)稀釋氬氣及稀釋氫氣流量分別為400sCCm和200sCCm，進(jìn)入反應(yīng)恒溫區(qū)反應(yīng)60分鐘后關(guān)閉載氣氫氣、稀釋氫氣和反應(yīng)氣源，同時(shí)斷電降溫，使?fàn)t膛自然冷卻至室溫，此過(guò)程中以200sCCm的流量通氬氣保護(hù)。經(jīng)過(guò)以上過(guò)程制備完成取出試樣后，在試樣表面得到一層產(chǎn)物，即為碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜。所得碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜純凈均勻，內(nèi)芯直徑徑為20-60nm，電纜外徑為40_80nm，長(zhǎng)度達(dá)幾百微米至幾毫米。產(chǎn)物的XRD圖譜、掃面電鏡照片、透射電鏡照片以及能譜分析如圖1、2、3所示。實(shí)例2 將密度大約為I. 70g/cm3的碳/碳復(fù)合材料加工成20 X 10 X 5mm3的試樣，依次用800號(hào)、1000號(hào)砂紙打磨后用蒸餾水超聲洗滌干凈，于120°C烘箱中烘干后，浸泡于質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為50%的硝酸鎳水溶液中，直至試樣表面沒(méi)有氣泡，取出試樣后在80°C烘箱中烘干，作為沉積基體。用一束碳纖維將浸泡后的碳/碳復(fù)合材料捆扎后懸掛于立式化學(xué)氣相沉積爐沉積區(qū)域中。將沉積爐抽真空至2000Pa，保真空30分鐘確定沉積爐密封性能完好，再通氬氣至常壓，此過(guò)程重復(fù)三次。然后以10°C /min的速率將沉積爐升溫至以1300°C，升溫過(guò)程中以400sCCm的流量向沉積爐中通氬氣，出氣口保持打開(kāi)狀態(tài)，沉積爐堂內(nèi)保持為常壓狀態(tài)。到溫后，向裝有甲基三氯硅烷的鼓泡瓶中通入載氣氫氣，流量為lOOsccm，將反應(yīng)氣源甲基三氯硅烷帶入爐堂內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)稀釋氬氣及稀釋氫氣流量分別為300sCCm和450sCCm，進(jìn)入反應(yīng)恒溫區(qū)反應(yīng)60分鐘后關(guān)閉載氣氫氣、稀釋氫氣和反應(yīng)氣源，同時(shí)斷電降溫，使?fàn)t膛自然冷卻至室溫，此過(guò)程中以200sCCm的流量通氬氣保護(hù)。經(jīng)過(guò)以上過(guò)程制備完成取出試樣后，在試樣表面得到一層產(chǎn)物，即為碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜，如圖4所示。實(shí)例3 將密度大約為I. 70g/cm3的碳/碳復(fù)合材料加工成20 X 10 X 5mm3的試樣，依次用800號(hào)、1000號(hào)砂紙打磨后用蒸餾水超聲洗滌干凈，于120°C烘箱中烘干后，浸泡于質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15%的硝酸鎳水溶液中，直至試樣表面沒(méi)有氣泡，取出試樣后在80°C烘箱中烘干，作為沉積基體。用一束碳纖維將浸泡后的碳/碳復(fù)合材料捆扎后懸掛于立式化學(xué)氣相沉積爐沉積區(qū)域中。將沉積爐抽真空至2000Pa，保真空30分鐘確定沉積爐密封性能完好，再通氬氣至常壓，此過(guò)程重復(fù)三次。然后以10°C /min的速率將沉積爐升溫至以1100°C，升溫過(guò)程中以400sCCm的流量向沉積爐中通氬氣，出氣口保持打開(kāi)狀態(tài)，沉積爐堂內(nèi)保持為常壓狀態(tài)。到溫后，向裝有甲基三氯硅烷的鼓泡瓶中通入載氣氫氣，流量為200sCCm，將反應(yīng)氣源甲基三氯硅烷帶入爐堂內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)稀釋氬氣及稀釋氫氣流量分別為450sCCm和eOOsccm，進(jìn)入反應(yīng)恒溫區(qū)反應(yīng)60分鐘后關(guān)閉載氣氫氣、稀釋氫氣和反應(yīng)氣源，同時(shí)斷電降溫，使?fàn)t膛自然冷卻至室溫，此過(guò)程中以200sCCm的流量通氬氣保護(hù)。
經(jīng)過(guò)以上過(guò)程制備完成取出試樣后，在試樣表面得到一層產(chǎn)物，即為碳化硅/ 二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜，如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/ 二氧化硅納米電纜的方法，其特征在于結(jié)晶的SiC納米線(xiàn)為內(nèi)芯，非晶的SiO2為外層，具體步驟如下 步驟I:將碳/碳復(fù)合材料打磨拋光后用蒸餾水洗滌干凈，在烘箱中烘干； 步驟2 :將烘干的碳/碳復(fù)合材料置于硝酸鎳水溶液中，浸泡至表面沒(méi)有氣泡，取出碳/碳復(fù)合材料在烘箱中烘干；所述硝酸鎳水溶液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10% 50% ; 步驟3 :采用一束碳纖維將步驟2處理過(guò)的碳/碳復(fù)合材料捆綁后懸掛于立式氣相沉積爐中； 步驟4 :將沉積爐抽真空至2000Pa，保真空30分鐘，再通氬氣至常壓，此過(guò)程重復(fù)三次； 步驟5 :通電升溫，在升溫過(guò)程中通氬氣保護(hù)，當(dāng)爐溫升到1050°C 1300°C，然后向裝有甲基三氯硅烷的鼓泡瓶中通入載氣氫氣，以50 200sccm的流量值將反應(yīng)氣源甲基三氯硅烷帶入爐堂內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)稀釋氬氣及稀釋氫氣流量分別為200 SOOsccm和100 eOOsccm，沉積10分鐘 120分鐘后斷電降溫得到，降溫過(guò)程中通氬氣保護(hù)，得到碳化硅/二氧化硅同軸納米電纜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/二氧化硅納米電纜的方法，其特征在于所述碳/碳復(fù)合材料為多孔碳/碳復(fù)合材料，密度為I. 68 I. 75g/cm3,試樣尺寸為 20 X 10 X 5mm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/二氧化硅納米電纜的方法，其特征在于所述的氫氣和氬氣的純度大于99. 99%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/二氧化硅納米電纜的方法，其特征在于所述的甲基三氯硅烷的含量大于98%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積法制備同軸碳化硅/二氧化硅納米電纜的方法，將浸泡后的碳/碳復(fù)合材料置于在沉積爐，抽真空再通氬氣至常壓，然后向裝有甲基三氯硅烷的鼓泡瓶中通入載氣氫氣，將反應(yīng)氣源甲基三氯硅烷帶入爐堂內(nèi)，同時(shí)通入稀釋氬氣及稀釋氫氣進(jìn)入反應(yīng)。本發(fā)明合成工藝簡(jiǎn)單，不需要預(yù)先合成工藝；碳化硅/二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜在常壓下制得，對(duì)設(shè)備的要求低；沉積溫度較低，降低了制備成本；此外，還有一個(gè)突出的特點(diǎn)是可以通過(guò)調(diào)整沉積工藝參數(shù)有效控制碳化硅/二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜的純度和均勻性。這些優(yōu)點(diǎn)讓大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)碳化硅/二氧化硅(內(nèi)芯/外層)同軸納米電纜成為可能。
文檔編號(hào)C23C16/52GK102810359SQ20121024305
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者李賀軍, 強(qiáng)新發(fā), 張雨雷, 李克智, 魏建鋒 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)