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一维碳化物纳米材料的植物模板法合成及其原位机电学性能研究

作　者: 李奕坪
导　师: 张文魁；陶新永
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料学
关键词: 碳化物纳米材料 光致发光 杨氏模量 电阻率 超级电容器
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


碳化物纳米材料具有优越的物理化学性质,例如高化学稳定性、高硬度、强抗氧化腐蚀性、低电阻率等,在高温涂层、切割工具、超导、发光、复合材料增韧等方面都有良好的应用前景,是目前新材料领域的研究热点。目前碳化物纳米材料合成方法主要包括碳热还原法、等离子体烧结煅烧、溶剂热、溶胶凝胶、微波煅烧、自蔓延燃烧法等。但目前这些合成方法普遍存在工艺繁琐、成本较高等缺点。本论文以价格低廉、环境友好的天然植物纤维(竹纤维、针叶木、阔叶木、棉纤维等)同时作为碳源及模板,采用一步原位碳热还原法制备出了碳化硅、碳化钛、碳化钽等系列一维碳化物纳米材料,并对其生长机理、生长方向、微结构等进行了分析和研究。此外,对于碳化物纳米材料单体力学性能、单体电学性能、光致发光性能等进行了相应的测试和表征。本论文的主要内容可归结如下:1、利用天然植物纤维(针叶木、阔叶木、竹纤维、棉纤维等)同时作为碳源及模板,加入相应前驱体,于高温管式炉中在惰性气体保护下,采用一步原位碳热还原法制备出碳化硅、碳化钛和碳化钽等一维纳米材料。采用X-射线衍射仪(XRD),结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和X射线能量色散谱仪(EDS)等表征手段分析研究其形貌、晶体结构、生长方向、组分,分析影响其生长的工艺条件。2、对于合成出来的碳化硅纳米线,由于其特殊的光学性能,讨论其光致发光性能,利用波长为254 nm的光源去激发,在366 nm处有很强的激发峰,这与3c-SiC薄膜的蓝-绿冷发光相比,该SiC纳米线样品有明显的蓝移现象;对于合成出来的碳化钛纳米线材料,利用原子力显微镜原位三点弯曲法表征其单体力学性能,测得TiC纳米线材料的杨氏模量为394～468 Gpa,平均值为432±22 Gpa。同时,基于其优异的导电性,探索其在电化学超级电容器电极材料中的应用;对于合成出来的TaC纳米线材料,利用三点弯曲法测试单根TaC纳米线的力学性能,测试所得TaC纳米线的杨氏模量为298～451 Gpa,平均值为364.7±45.6 Gpa,和以等离子法烧结的TaC粉末材料(335～469 GPa)接近,高于文献报道的TaC块体陶瓷材料(283 Gpa),采用原位TEM移动探针法测得单根TaC纳米线的电阻率为63.6μ?·cm。基于TaC纳米线优异导电性,探索其在电化学超级电容器电极材料中的应用。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-31
  1.1 引言  12
  1.2 纳米材料的特性  12-14
    1.2.1 量子尺寸效应  13
    1.2.2 小尺寸效应  13
    1.2.3 表面效应  13
    1.2.4 库伦阻塞效应  13-14
    1.2.5 宏观量子隧道效应  14
  1.3 一维纳米材料的特性、生长和应用  14-18
    1.3.1 一维纳米材料的特性和应用  14-16
      1.3.1.1 热稳定性  14-15
      1.3.1.2 电子传输特性  15
      1.3.1.3 光学特性  15
      1.3.1.4 力学性能  15-16
      1.3.1.5 电学性能  16
    1.3.2 一维纳米材料的生长  16-18
      1.3.2.1 气-液-固（VLS）生长机理  16-17
      1.3.2.2 气-固（VS）生长机理  17-18
  1.4 SiC的研究进展概述  18-23
    1.4.1 SiC的结构及分类  18-19
    1.4.2 SiC材料的基本性能  19-20
    1.4.3 一维SiC纳米材料的合成方法  20-22
    1.4.4 SiC纳米材料的光致发光性能研究  22-23
  1.5 TiC的研究进展概述  23-25
    1.5.1 TiC材料简介  23
    1.5.2 TiC材料的用途  23-24
    1.5.3 TiC纳米材料的主要合成方法  24-25
  1.6 TaC的研究进展  25-26
    1.6.1 TaC材料简介  25-26
    1.6.2 TaC纳米材料的合成制备  26
    1.6.3 TaC纳米材料的应用  26
  1.7 超级电容器（EDLC）简介  26-28
    1.7.1 超级电容器的特点和工作原理  26-27
    1.7.2 超级电容器的电极材料  27-28
    1.7.3 超级电容器的应用  28
  1.8 论文选题目的以及研究内容  28-31
第二章 实验方法和实验仪器  31-38
  2.1 实验药品  31
  2.2 测试仪器  31-32
  2.3 材料制备  32-33
    2.3.1 碳化物纳米线合成方法  32-33
    2.3.2 超级电容器的制备方法  33
  2.4 材料测试表征  33-38
    2.4.1 XRD测试  33-34
    2.4.2 表面形貌分析  34
    2.4.3 微结构分析  34
    2.4.4 发光性能测试  34-35
    2.4.5 电化学性能测试  35-38
      2.4.5.1 恒流充放电法测试  35
      2.4.5.2 循环伏安法测试  35-36
      2.4.5.3 交流阻抗法测试  36
      2.4.5.4 AFM原位三点弯曲法测试  36-37
      2.4.5.5 TEM原位电学性能测试  37-38
第三章 SiC纳米线的合成、表征及应用  38-43
  3.1 引言  38
  3.2 SiC纳米线的合成  38-40
  3.3 SiC纳米线的表征  40-42
  3.4 SiC纳米线的光致发光性能研究  42
  3.5 本章结论  42-43
第四章 TiC纳米线的合成、表征及其应用  43-52
  4.1 引言  43
  4.2 TiC纳米线的合成  43-44
    4.2.1 材料准备  43-44
    4.2.2 合成过程  44
    4.2.3 TiC/C纳米复合材料电极的制备  44
  4.3 TiC NWs纳米材料的表征  44-51
  4.4 本章结论  51-52
第五章 TaC纳米线的合成、表征及其应用  52-62
  5.1 引言  52-53
  5.2 TaC纳米材料的合成  53-54
    5.2.1 材料准备  53
    5.2.2 TaC纳米材料的合成  53
    5.2.3 超级电容器用TaC NWs/C纳米复合电极的制备  53-54
  5.3 TaC纳米材料的表征  54-60
  5.4 本章结论  60-62
第六章 结论  62-63
参考文献  63-71
附录Ⅰ 硕士期间完成的论文  71-72
附录Ⅱ 致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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