CN103194734A - 一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，没有使用三维网络结构的模版，直接通过催化剂辅助的化学气相沉积方法首次在2D针刺碳毡的表面制备了自组装的三维HfC晶须网络结构，所制得的产物相比模版法引入的其他元素的杂质含量少。

Description

一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，尤其是一种自组装三维碳化铪（HfC）晶须网络结构的制备方法。
背景技术
HfC具有超高的熔点（3890°C），是最难熔的超高温陶瓷之一；同时，它还具有高硬度（维氏硬度:26.1GPa），高弹性模量（350–510GPa）和良好的化学稳定性。由于这一系列的优异性能，其已被用作耐磨薄膜和在航空航天领域中的热防护涂层；此外，HfC晶须或纳米线还可作为超高温复合材料的增强体，同时由于其稳定和特殊的物理化学性质还可用作点电子源的场发射材料。因此，三维HfC晶须网络结构在超高温环境下微型功能器件中具有潜在的重要应用。一维材料由于其在微纳技术领域的特殊应用已受到大量关注，例如：微米级的纤维或晶须、纳米级的纳米线或纳米管。一系列的材料如碳、碳化物、氧化物、半导体材料、金属等已被开发制备成一维线结构，它们特殊的物理性质使其在纳米电子和光电子领域获得重要应用。而且，微纳米级别功能性设备制备需要，由一维材料组装成的多维结构正逐渐展现出其潜在的技术重要性。目前，已有研究者通过自催化化学气相沉积法在平整的基底上制备了二维的氧化物纳米线或纳米带网络结构，其可应用作为光电设备的微型功能器件；同时，随着锂电池的发展，三维的石墨烯网络结构可作为超级电容器的阴极材料已受到极大关注，制备这种结构最常用一种方法是以泡沫镍为模版和催化剂的化学气相沉积方法。然而，采用催化化学气相沉积法制备一维金属碳化物材料自组装三维结构在国内外还未见报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，制备出了新的三维HfC晶须网络结构。
技术方案
一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：配制浓度为0.05～2mol/L的Ni(NO3)2或NiCl2的乙醇溶液；
步骤2：将清洗干净的2D针刺碳毡放在步骤1配制的溶液中浸泡1～2h，然后取出2D针刺碳毡放在40～55℃的干燥箱内烘干；
步骤3：将步骤2烘干的2D针刺碳毡放于管式电阻炉内的沉积模具中，抽真空至2kPa，通入惰性氩气作为保护气体；以5～10℃/min的升温速度将炉温升至1200～1400℃，然后通入H2、HfCl4和CH4气体，控制H2、HfCl4和CH4的分压分别为0.80～0.98，0.10～0.01，0.10～0.01；调节真空泵抽速，将CVD炉内的沉积压力控制在2kPa～30kPa；沉积时间为2～10h；沉积结束后停止通入反应气体，关闭加热电源自然降温，在2D针刺碳毡沉积表面制得自组装三维HfC晶须网络结构。
所述步骤3中通入的HfC l4气体流量为80～150mg/min。
所述Ni(NO3)2为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
所述NiCl2为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
所述乙醇为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
所述HfCl4为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
所述Ar为纯度大于99.999%的高纯气体。
所述CH4为纯度大于99.999%的高纯气体。
所述H2为纯度大于99.999%的高纯气体。
有益效果
本发明提出的一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，没有使用三维网络结构的模版，直接通过催化剂辅助的化学气相沉积方法首次在2D针刺碳毡的表面制备了自组装的三维HfC晶须网络结构，所制得的产物相比模版法引入的其他元素的杂质含量少。
附图说明
图1：是本发明的方法流程图；
图2：是本发明所制备自组装三维HfC晶须网络结构微观形貌
图3：是本发明所制备自组装三维HfC晶须网络结构微观形貌
图4：为TEM下选取衍射花样，证明构建三维HfC晶须网络结构的HfC晶须为单晶。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
1、配置浓度为1mol/L的Ni(NO3)2乙醇溶液。
2、将清洗干净的尺寸为60mm×45mm×10mm的2D碳毡放于步骤1所述溶液中浸泡2h，然后取出碳毡放在50℃的干燥箱内烘干备用。
3、化学气相沉积（CVD）工艺制备自组装三维HfC晶须网络结构，方法如下：
将步骤2中浸渍有Ni(NO3)2的2D针刺碳毡放于立式的管式电阻炉内的沉积用石墨模具中，抽真空至2kPa左右，通入惰性氩气作为保护气体，以5℃/min的升温速度将炉温升至1250℃；当炉内温度达到沉积温度时，通入H2、HfCl4和CH4气体，控制H2、HfCl4和CH4的分压分别为0.90，0.05，0.05，HfCl4气体流量为115mg/min；调节真空泵抽速，将CVD炉内的沉积压力控制在10kPa；沉积时间为8h。沉积结束后关闭加热电源自然降温。即在2D针刺碳毡沉积表面制得自组装三维HfC晶须网络结构，组装三维网络结构的单根的HfC晶须直径约50μm；此外，在碳毡表面除了生长有三维网络结构，还有直径为几微米大小的HfC晶须。
实施例2：
1、配置浓度为0.5mol/L的NiCl2乙醇溶液。
2、将清洗干净的尺寸为60mm×45mm×10mm的2D碳毡放于步骤1所述溶液中浸泡2h，然后取出碳毡放在50℃的干燥箱内烘干备用。
3、化学气相沉积（CVD）工艺制备自组装三维HfC晶须网络结构，方法如下：
将步骤2中浸渍有NiCl2的2D针刺碳毡放于立式的管式电阻炉内的沉积用石墨模具中，抽真空至2kPa左右，通入惰性氩气作为保护气体，以5℃/min的升温速度将炉温升至1300℃；当炉内温度达到沉积温度时，通入H2、HfCl4和CH4气体，控制H2、HfCl4和CH4的分压分别为0.80，0.10，0.10，HfCl4气体流量为150mg/min；调节真空泵抽速，将CVD炉内的沉积压力控制在5kPa；沉积时间为6h。沉积结束后关闭加热电源自然降温。即在2D针刺碳毡沉积表面制得自组装三维HfC晶须网络结构；此外，有直径为几微米大小的HfC晶须生长在碳毡表面。

Claims (9)

1.一种自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：配制浓度为0.05～2mol/L的Ni(NO3)2或NiCl2的乙醇溶液；
步骤2：将清洗干净的2D针刺碳毡放在步骤1配制的溶液中浸泡1～2h，然后取出2D针刺碳毡放在40～55℃的干燥箱内烘干；
步骤3：将步骤2烘干的2D针刺碳毡放于管式电阻炉内的沉积模具中，抽真空至2kPa，通入惰性氩气作为保护气体；以5～10℃/min的升温速度将炉温升至1200～1400℃，然后通入H2、HfCl4和CH4气体，控制H2、HfCl4和CH4的分压分别为0.80～0.98，0.10～0.01，0.10～0.01；调节真空泵抽速，将CVD炉内的沉积压力控制在2kPa～30kPa；沉积时间为2～10h；沉积结束后停止通入反应气体，关闭加热电源自然降温，在2D针刺碳毡沉积表面制得自组装三维HfC晶须网络结构。
2.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述步骤3中通入的HfCl4气体流量为80～150mg/min。
3.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述Ni(NO3)2为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
4.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述NiCl2为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
5.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述乙醇为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
6.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述HfCl4为分析纯，质量百分含量≥99.8%。
7.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述Ar为纯度大于99.999%的高纯气体。
8.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述CH4为纯度大于99.999%的高纯气体。
9.根据权利要求1所述自组装三维碳化铪晶须网络结构的制备方法，其特征在于：所述H2为纯度大于99.999%的高纯气体。
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