碳化硅和氮化硅纳米纤维的制备及其性能研究

作     者：陈洋 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宁;王建伟

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：气流纺丝 自组装 SiC/SiO2 Si3N4/SiO2 核壳纳米纤维 VS生长机制 

摘      要：SiC、Si3N4纳米纤维不仅具有材料本身的高强度、耐腐蚀性、耐高温、抗氧化等优异性能,同时结合了一维纳米材料独特的几何结构和特殊性能,因而在基础研究以及纳米器件、纳米复合材料、能源材料、生物医药等领域有着重要的应用前景。本文以SiO2及PAN作为原料,来制备SiC、Si3N4纳米纤维,并对产物的组成、结构、生长机理进行了详细的表征。借助气流纺丝法制备连续三维卷曲SiO2/PAN杂化纳米纤维,并进行预氧化处理。得到的预氧化SiO2/PAN杂化纳米纤维具有大的长径比、高比表面积、良好的分散性及稳定纤维结构等特点,为高温下Si基纳米纤维的生长提供足够的生长空间。预氧化SiO2/PAN杂化纳米纤维在Ar气氛下,经过700℃、1400℃高温碳化及碳热自组装得到以PAN基碳纳米纤维为支撑体的SiC/SiO2-C复合纳米纤维毡,其中碳纳米纤维提供了一个强有力的支撑作用。预氧化Si02/PAN杂化纳米纤维在N2气氛1400℃高温下,纤维中的Si02与碳化后的PAN基的碳在N2的氮化作用下得到大量白色Si3N4/SiO2核壳纳米纤维。通过研究表明,Ar条件下得到的SiC/SiO2纳米纤维直径在80-200 nm之间,长度可达几百微米。在1400℃下,随着反应时间的增加,SiC纳米纤维逐渐趋于取向化,结晶效果更佳,产量也随之增加。SiC/SiO2纳米纤维表现出高效的光催化降解能力,紫外光催化降解甲基橙溶液去除率达到92.7%,循环使用5次后降解能力仍在90%以上。碳纳米纤维不仅为其提供了高强度的支撑体,还解决了 SiC纳米纤维在溶液中易聚集及难回收的问题。在N2条件下得到的超长Si3N4/SiO2核壳纳米纤维直径在50-300 nm之间,长度可达到厘米级。Si3N4/SiO2纳米纤维表现出较强的蓝绿色发光性能,作为环氧树脂增强体,并表现出较好的力学性能。本文通过对Si基纳米纤维生长过程的研究,提出了固-液(VS)机制来解释SiC/SiO2、Si3N4/SiO2核壳纳米纤维的生长。