碳及碳化硅表面纳米结构的制备及其性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 周玉莹 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 闫隆 |
| 关键词 | 纳米结构 石墨 碳化硅 离子束辐照 熔盐 |
| 英文摘要 | 碳及碳基材料具有优越的机械性能、电学性能、化学稳定性及耐高温性能，长期以来一直是人们的研究热点，并成功应用到光电器件、离子电池、航空、核能等领域。本文主要针对在核能中有重要应用的石墨及碳化硅材料展开研究。石墨和碳化硅作为反应堆结构材料的候选材料，在熔盐堆中可作为慢化剂、反射层、堆芯内部部件等，在反应堆运行过程中，结构材料面临着高温、强中子辐照、强腐蚀等苛刻的工作条件。另外，随着纳米科技技术的飞速发展，一些纳米材料被发现具有优异的抗蠕变、抗疲劳、抗辐照以及抗腐蚀等独特的性质，因此，将纳米材料与核能材料相结合展开研究，成为目前核能领域科研人员密切关注的研究方向。本论文基于石墨和碳化硅材料，利用离子束辐照和高温熔盐技术在其表面构建多种纳米结构，并研究其电学性能、力学性能等。这为在各个领域中具有新型纳米结构的碳基材料的潜在应用提供重要研究价值。本论文的研究结果显示：1. 利用离子束辐照在4H-SiC材料表面的肿胀效应，通过添加掩模的方式，在4H-SiC表面构造三维微纳米结构。其高度可以通过离子束辐照的能量、剂量、离子种类等辐照条件，实现在~1 nm到~251 nm之间的调控。横向尺寸可以通过模板实现几十纳米到厘米级的调控。在低能量离子辐照条件下，4H-SiC材料表面产生的肿胀主要是由于间隙原子在晶面之间聚集，引起了材料的晶格肿胀；在高能量的离子辐照条件下的肿胀主要是由于辐照后材料的非晶化导致材料密度的变化，进而产生肿胀。2. 表面具有~400 nm尺寸的阵列的纳米结构的4H-SiC材料的与水的接触角变大，由33°增加到64°。辐照后的4H-SiC表面电势随着剂量的增加先降低后增加至初始水平，可以通过离子束辐照对4H-SiC材料的表面电势差在0 mV到-126.6 mV进行调控。并且，辐照后的4H-SiC表面的光学性能也发生变化，在波长为3.184 μm的红外光条件下辐照区域的反射率高于未辐照区域，而在波长为10.432 μm的红外光条件下辐照区域的反射率低于未辐照区域，这对于4H-SiC的新的发现同时在半导体器件、超材料等方面都有潜在的应用。对于离子束辐照后4H-SiC的力学性能的研究发现，离子辐照后硬度和杨氏模量下降，但是随着辐照剂量的增加趋近饱和，饱和之后的4H-SiC硬度和杨氏模量分别为24.9±0.3 GPa和298.1±8.2 GPa，仍然具有良好的力学性能。3. 高定向热解石墨在离子束辐照后没有产生明显的肿胀效应，表面层约178.3±4.7 nm厚度的石墨层被破坏形成裂缝，里层石墨暴露出来。外层石墨表面形成了很多高度为~34.1 nm树枝状的小突起形的纳米结构。纳米小突起部分的杨氏模量值增加。4. 通过高温熔盐技术，在高定向热解石墨表面制备了纳米级的NaNO3熔盐，形成目前的研究中很难制备的<10 nm的盐纳米颗粒，以此发展了一种普适性的盐纳米颗粒制备方法，在石墨表面制备相对稳定的纳米结构，同时也为盐颗粒的潜在应用提供更多的发展方向。在石墨与熔盐相互作用的研究中发现，盐颗粒与高定向热解石墨表面之间的相互作用力与环境湿度密切相关。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33920]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周玉莹. 碳及碳化硅表面纳米结构的制备及其性能研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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