層片狀納米結構的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高純度、高產(chǎn)率制備WSJl片狀納米結構的方法，屬于材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]二硫化鎢(WS2)是一種較早使用的固體潤滑材料，具有優(yōu)異的摩擦潤滑性能、抗輻射能力、熱穩(wěn)定性和耐氧化性，高的抗壓性能以及較寬的溫度適用范圍。WS2最早應用在1962年發(fā)射的美國水手號太空船關鍵部位的潤滑，效果極佳。制備和應用一直作為軍事技術被嚴格保密，直到1984年美國才放松其管制，隨后WS2開始被引入其他工業(yè)領域，如潤滑油添加劑等。
[0003]研究表明，評^優(yōu)異的抗摩擦磨損性能源于其使用過程中易于解理的層片狀晶體結構。隨著科學技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，和普通顆粒狀WSjg比，納米層片狀WS 2具有更高的表面能、更強的吸附性，因此具有更優(yōu)異的潤滑效果。此外，隨著以石墨烯為代表的二維層狀結構材料的不斷發(fā)展，人們還發(fā)現(xiàn)WS2和石墨烯類似具有特殊的光學和電學性質，在新一代半導體集成電路和新能源材料等領域中可望得到應用。因此，世界各國都很重視對納米層狀WS2的制備研究。
[0004]目前，WS2納米結構的制備方法主要分為化學法和物理法兩大類。如采用化學方法制備ws2m米結構，常用含W前驅體(如WO3)和含硫前驅體(如S粉)混合反應的辦法。這類方法產(chǎn)率較高，但是產(chǎn)物形貌難于控制，較難獲得納米結構，且純度不高，需要復雜的后續(xù)提純除雜等工序。如果采用氣相沉積等物理方法制備ws2m米結構，具有制備過程簡單、工藝參數(shù)可控性強和制備材料多為晶體等特點。目前這類方法普遍的做法是，使用易揮發(fā)的含W前驅體(如W(C0)6、胃03等)和H2S等還原性含硫氣氛相互作用沉積而成，因而生成的納米結構在形貌很大程度上受到含W前驅體組成和結構、基片組成與結構、沉積氣氛與溫度等條件的限制，且產(chǎn)量不高。此外，依賴于物理氣相沉積設備的復雜性，制備成本可能會很高。
[0005]為了實現(xiàn)高純度WSJl片狀納米結構的大規(guī)模制備，本發(fā)明提出了一種在真空環(huán)境下分離式加熱蒸發(fā)S粉和WO3粉術的方法，很容易地制備得到了大量的高純度、高密度的WSJl片狀納米結構。本方法具有設備和工藝簡單，合成生長條件嚴格可控，產(chǎn)品純度高、產(chǎn)率高、成本低廉等優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種高純度、高產(chǎn)率制備WSJl片狀納米結構的方法，該方法在真空加熱爐中，以三氧化鎢(WO3)粉和硫(S)粉作為蒸發(fā)源，在真空環(huán)境中通過分離式加熱蒸發(fā)的方法，在載氣帶動下，高產(chǎn)率一步合成得到高純度、高密度的WSJl片狀納米結構。該方法具有設備和工藝簡單、材料合成與生長條件嚴格可控、產(chǎn)品收率高、成本低廉等優(yōu)點。所獲得的WSJl片狀納米結構，厚度在50-250nm之間，直徑在20_40μπι之間，產(chǎn)物純度高，納米結構直徑和厚度均勻，形貌可控，可望在固體潤滑劑、潤滑油添加劑、半導體器件以及新能源材料領域獲得廣泛應用。
[0007]本發(fā)明提出的高純度、高產(chǎn)率制備WSJl片狀納米結構的方法，其特征在于，所述方法在真空加熱爐中，以胃03粉和S粉作為蒸發(fā)源，在真空環(huán)境中、在載氣帶動下同時分別對蒸發(fā)源進行加熱蒸發(fā)(即分離式加熱蒸發(fā))，高產(chǎn)率一步合成高純度、高密度的WSJl片狀納米結構。
[0008]本發(fā)明提出的WSJl片狀納米結構制備方法，包括以下步驟和內(nèi)容:
[0009](I)在真空加熱爐中，將分別裝有蒸發(fā)源胃03粉和S粉的氧化鋁瓷舟放置在爐中央的加熱區(qū)域；
[0010](2)在加熱前，先用真空栗對整個系統(tǒng)抽真空至12Pa以下，然后向系統(tǒng)中通入高純惰性載氣，并重復多次，直到排除系統(tǒng)中的殘余空氣。然后以5-20°C /min速率升溫到950-1350°C，并保溫0.5-3小時。在整個加熱過程中，在真空栗持續(xù)工作的前提下通入載氣直到加熱爐自然降溫到室溫。最終，氧化鋁瓷舟里的胃03粉全部被S粉還原為高純度、高密度WSJl片狀納米結構。
[0011]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的真空加熱爐有水平真空管式爐、立式真空箱式爐、立式真空管式爐、井式真空電爐之一種。
[0012]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發(fā)源為市售分析純WO3粉和S粉。
[0013]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發(fā)源103粉的晶粒尺寸在200nm到2 μπι之間。
[0014]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發(fā)源S粉為高純硫或者升華硫。
[0015]在上述制備方法中，所述步驟⑴中的WO3粉和S粉的質量比控制在1:1到I: 20之間。
[0016]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的高純惰性載氣為氬氣、氮氣之中的一種。
[0017]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的高純惰性載氣純度在99.99vol.%以上。
[0018]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的加熱過程中通入的載氣流量為20-100標準立方厘米每分鐘(sccm)。
[0019]在上述制備方法中，所述步驟(2)中在整個加熱過程中，在真空栗持續(xù)工作的前提下通入載氣時，要控制載氣的通入方式和流量，達到兩個目:一是在WSJl片狀納米結構的合成過程中，讓蒸發(fā)源硫粉形成的蒸汽在蒸發(fā)源WO3粉上方形成蒸汽流，然后利用WO 3粉微蒸發(fā)形成的蒸汽和S蒸汽進行微循環(huán)和微交換、反應生成WSJl片狀納米結構，二是在WS 2層片狀納米結構的合成完成后，在降溫到室溫的過程中的高溫段，產(chǎn)物得到保護而不被氧化。因此，為了達成上述目的，在上述制備方法中，所述步驟(I)中還要控制分離式放置的裝有蒸發(fā)源WO3粉和S粉的氧化鋁瓷舟之間的距離，應該小于10cm，且裝有蒸發(fā)源S粉的氧化鋁瓷舟應該位于載氣氣流的上方，即沿著氣流方向裝有蒸發(fā)源S粉的氧化鋁瓷舟應該位于裝有蒸發(fā)源胃03粉的氧化鋁瓷舟之前?？傊?，在上述制備方法中，所述分離式加熱蒸發(fā)就是將蒸發(fā)源按照前述原則分開放置，但是在載氣的帶動下同時加熱蒸發(fā)。
[0020]在上述制備方法中，所得到的WSJi片狀納米結構厚度在50-250nm之間，直徑在20-40 μπι之間；產(chǎn)物純度高，純度在99.9%以上；產(chǎn)品收率高，原料WO3粉幾乎完全轉化為WSJl片狀納米結構。
[0021]采用本技術制備WSJl片狀納米結構，具有設備和工藝簡單、材料合成與生長條件嚴格可控、產(chǎn)品收率高、成本低廉等優(yōu)點。所獲得的WSJl片狀納米結構，產(chǎn)物純度高，納米結構直徑和厚度均勻，形貌可控。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實施例1所制得的WSJi片狀納米結構的X-射線衍射花樣
[0023]圖2是本發(fā)明實施例1所制得的WSJl片狀納米結構的掃描電鏡照片
[0024]圖3是本發(fā)明實施例2所制得的WSJl片狀納米結構的X-射線衍射花樣
[0025]圖4是本發(fā)明實施例2所制得的WSJl片狀納米結構的掃描電鏡照片
【具體實施方式】
[0026]下面結