准一维氮化硅纳米材料的制备与性能研究.pdf

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1、博士学位论文准一维氮化硅纳米材料的制备与性能研究RESEARCHONPREPARATIONANDPERFORMANCEOFQUASIONE-DIMENSIONALSILICONNITRIDENANOMATERIALS董顺哈尔滨工业大学2018年5月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：666.3密级：公开工学博士学位论文准一维氮化硅纳米材料的制备与性能研究博士研究生：董顺导师：张幸红教授副导师：胡平副教授申请学位：工学博士学科：材料学所在单位：航天学院答辩日期：2018年5月授

2、予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:666.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONPREPARATIONANDPERFORMANCEOFQUASIONE-DIMENSIONALSILICONNITRIDENANOMATERIALSCandidate：ShunDongSupervisor：Prof.XinghongZhangAssociateSupervisor：AssociatePro

3、f.PingHuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：May,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要准一维纳米材料因其独特的形貌和优异的性能，在多个领域具有广泛的应用前景，如复合材料增强体、纳米光电子器件及纳米复合材料

4、等。本文针对准一维纳米材料微结构可控与高产率制备的发展趋势，以耐高温、抗氧化的宽禁带半导体准一维Si3N4纳米材料为主要研究对象，通过对原材料和制备方法的优选以及工艺参数的调控，实现了准一维Si3N4纳米材料的高效制备，开展了准一维Si3N4纳米材料性能表征，揭示了准一维Si3N4纳米材料性能与微结构之间的本质联系，阐明了准一维Si3N4纳米材料的生长机理，初步建立了准一维Si3N4纳米材料性能的调控方法，为拓展准一维Si3N4纳米材料的应用领域提供数据和理论支撑。基于文献调研与分析，分别以独立源和混

5、合源为原料，通过制备方法的优选以及工艺参数的优化，实现了超长准一维Si3N4纳米材料的高效制备。相对于其他原料而言，分别以独立源石墨、硅和二氧化硅以及混合源聚碳硅烷为主要原料经一定工艺条件处理可在原位和非原位获得较高产率的超长准一维Si3N4纳米材料，并通过反应温度、保温时间和气体流速等工艺参数的调节，实现了对准一维Si3N4纳米材料产量和尺寸的调控。其中，在温度区间为1300-1550℃，随着反应温度的升高，准一维Si3N4纳米材料产量呈现先增加后减小的趋势、尺寸呈现一直增大的趋势；在保温时间小于4

6、h范围内，随着保温时间的延长，准一维Si3N4纳米材料产量和长度均呈现增加的趋势；在50-400mL/min范围内，随着气体流速的增大，准一维Si3N4纳米材料的产量和长度均呈现一个先增加后减小的趋势。基于热力学计算分析与文献调研，将含混合源聚碳硅烷的原料以冷冻注模法预制成三维连通多孔坯体，经实验优化，成功获得了宏量超长准一维Si3N4纳米材料。经多种分析表征手段，发现：无论是以独立源石墨、硅和二氧化硅以及混合源聚碳硅烷为主要原料最终所获得的超长准一维Si3N4纳米材料其主要成分都是α-Si3N4，长

7、度可达数毫米甚至厘米级，纯度较高，仅含有Si和N两种元素，且生长方向均为[101]方向。但值得注意的是，以独立源石墨、硅和二氧化硅为原料在1500℃所获得的准一维Si3N4纳米材料呈带状，而以混合源聚碳硅烷为主要原料在1400℃所获得的准一维Si3N4纳米材料呈线状。以冷冻注模法获得的含聚碳硅烷三维多孔坯体为原料1400℃制备宏量准一维Si3N4纳米材料实验中，不仅在多孔坯体四周和瓷方舟四壁有大量准一维Si3N4纳米材料生长，在管式炉内壁的衬底石墨纸上同样生长有大量α-Si3N4纳米纤维，同时在多孔坯

8、I哈尔滨工业大学工学博士学位论文体内部也有大量α-Si3N4纳米纤维生长。基于微观形貌表征与分析，发现：以三相混合粉体为原料1500℃获得的Si3N4纳米带在粉体表面以及瓷方舟四壁上的形貌明显不同，在粉体表面的Si3N4纳米带一端未发现大液滴，但在瓷方舟四壁获得的Si3N4纳米带一端不仅存在大液滴且含有Fe元素，经分析Fe元素应来源于瓷方舟四壁，且在瓷方舟四壁生长的Si3N4纳米带中还含有Al元素，结合相关文献报道，发现Al2O3可以调控参与反应中的含S