SiC一维纳米材料的量产化连续制备、生长机理及理论模拟研究

Recently,the study on the SiC one-dimensional nanomaterials have attracted extensive attention. However, how to achieve the continuous preparation of mass production and the study of the related basic theories are still in blank states at home and abroad. In this project, continuous preparation of massly SiC one-dimensional materials is innovatively carried out in a larger reaction space by an atmosphere controllable smart furnace which is developed independently, and the associated basic theories are studied. Main research contents: 1) According to the structural features of the atmosphere furnace, the flow field and temperature field contours in the larger reaction space (Material box) are simulated by fluent software, and then establish the numerical theoretical model. To use the above simulated results as guidance, the material box is optimized and improved which will ensure that uniform SiC one-dimensional materials are acquired; 2) The effects of various process parameters on the production, morphology and quality of the continuous preparation of SiC one-dimensional nanomaterials are systematic studied, and then optimal process parameters are obtained. According to growth of mesoscopic thermodynamics, dynamics and crystal growth theories, the growth model is established in theory. 3) The microscopic growth process and growth mechanism of SiC one-dimensional materials under different parameter are simulated by Gauss and material Studio software. The influence of process parameter on the growth rate and morphology of the products are theoretically explored.

SiC一维纳米材料的研究已引起了广泛关注。然而，如何实现其量产化连续制备及相关基础理论研究，在国内外仍属空白。本项目利用自主研制的连续生产式智能可控气氛炉，创新性地开展在较大反应空间内量产化连续制备SiC一维纳米材及其相关基础理论研究课题。主要研究内容：1）根据气氛炉的构造特点，建立数值模拟的理论模型，运用fluent软件获得在较大反应空间即物料盒内的气流场和温度场分布云图，以此为指导，对物料盒进行优化改进，为保证获得品质均一的大量SiC一维纳米材料提供理论指导；2）系统研究各工艺参数对连续制备SiC一维纳米材料的产量、形貌和品质等的影响规律，获得优选工艺参数，并从介观生长热、动力学及晶体生长理论出发，建立其生长的理论模型；3）利用Gauss和Material Studio等软件，模拟不同条件下SiC一维纳米材料的微观生长过程和生长机理，从理论上探讨工艺参数对产物生长速度和形态的影响规律。

本项目已高质量按时完成了项目计划书中的全部研究内容，具体如下：1）对大反应空间条件下用于制备SiC一维纳米材料的反应室（物料盒）的气流场和温度场进行了理论模拟，优选出了“回”型结构反应室，并确定了基片和反应原料的放置方式及位置；2）分别以聚碳硅烷为单一反应原料，活性炭（鳞片石墨、II型石墨）为固体碳源，高纯甲烷为气体碳源，系统研究了4种不同原料体系中各工艺参数对产物产量及品质的影响规律，确定出II型石墨为量产化制备SiC一维纳米材料的优选碳源，在该原料体系的优选工艺条件下，单炉SiC一维纳米材料的产量达到27.23g（超出计划书中克量级指标一个数量级），原料转化率大于90%。在此基础上，获得了该优选原料体系的连续制备SiC一维纳米材料的优选工艺。在对各产物展开系统表征的基础上，建立了各原料体系中SiC一维纳米材料的生长理论模型；3）通过计算并比较SiO和C活性物质在多种常用催化剂不同晶面上的吸附能数值，在综合考虑制备成本的条件下，优选出Ni为量产化制备SiC一维纳米材料的催化剂，并模拟出活性原子在催化剂Ni上的吸附位置及SiC晶核的微观形成过程，为进一步优化工艺参数，实现SiC一维纳米材料量产化的连续制备提供了理论指导。. 在完成上述项目计划书中各项工作并取得了丰硕成果的基础上，还开展了以下拓展工作：1）探讨了以甲烷与鳞片石墨为复合碳源的原料体系，量产化制备SiC一维纳米材料的关键技术，获得了优选工艺，并提出了合理的产物生长机理；2）研究了以乙炔炭黑和II型石墨为复合碳源的原料体系，量产化制备SiC一维纳米材料的关键技术，获得了优选工艺。通过本项目的完成，取得了多项创新性成果，先后获中国石油化工联合会科技进步二等奖1项，山东省高等学校优秀科研成果一、二等奖各1项，青岛市自然科学二等奖1项；申请国家发明专利17项，授权6项；发表论文38篇，其中SCI收录34篇次，EI收录28篇次；培养青年教师4名，博士毕业生1名，硕士毕业生10名，远远超出项目计划中“发表高水平论文8~15篇，申请国家发明专利1~3项”的任务指标。所获得的创新性成果具有原创性，技术水平达到国内外同类技术的先进水平。