美國萊斯大學(xué)科學(xué)家利用名為“氟輔助閃光焦耳熱”(FAF)的創(chuàng)新工藝,在短短數(shù)秒內(nèi),將廢棄玻璃及富含硅的煤廢料,高效轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用價值極高的碳化硅納米線。相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期《物質(zhì)》雜志。
碳化硅是一種由硅與碳通過強共價鍵構(gòu)成的先進陶瓷材料,其硬度僅次于鉆石,為已知最堅硬材料之一。此外,它還擁有令半導(dǎo)體行業(yè)垂青的寬帶隙特性,并能耐受極端高溫高壓環(huán)境。
當碳化硅縮小至納米線尺度,其性能更上一層樓。這種獨特的一維結(jié)構(gòu)擁有極高的“長徑比”,賦予了它超群的導(dǎo)熱性和耐磨性,在眾多尖端工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。然而,傳統(tǒng)合成方法不僅需要昂貴的起始原料,還依賴極高的溫度和昂貴的催化劑,導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高昂且環(huán)境負擔(dān)沉重。
團隊巧妙利用FAF焦耳熱工藝破解了這一難題。他們先將廢玻璃或煤灰等硅源研磨成粉,與焦炭或炭黑等碳源均勻混合,并添加微量的氟化物(如約1%的氟化鈉)。隨后,將混合物置于特制管中,施加高功率電脈沖,使其在瞬間(不到一分鐘內(nèi))被迅速加熱至約2000℃。在接下來的快速冷卻過程中,碳化硅納米線便以高度有序的立方晶格形式結(jié)晶析出。該工藝表現(xiàn)卓越,納米線的選擇性高達78%,硅元素的轉(zhuǎn)化率更是達到了驚人的96%。
團隊還能通過精確調(diào)控電閃光的持續(xù)時間及氟化物的添加量,“裁剪”納米線的長度。
為驗證所得材料的性能,團隊將提取純化后的碳化硅納米線作為增強填料,摻入乙烯基酯樹脂中制備成復(fù)合材料。經(jīng)過一系列嚴苛的機械與熱學(xué)測試,并與市售碳化硅粉末進行對比,結(jié)果顯示:新型碳化硅納米線展現(xiàn)出壓倒性優(yōu)勢。即使僅添加1%(按重量計),復(fù)合材料的楊氏模量、硬度和耐磨性也分別提升了41%、62%和28%。
這項新技術(shù)的益處遠不止于產(chǎn)品性能的提升。得益于其極快的加熱過程,整個納米線合成工藝在水資源、能源消耗以及二氧化碳排放方面均減少了約90%。
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