施凱烽 謝鳳(空軍勤務(wù)學院,江蘇 徐州 221000)
論富勒烯和納米管結(jié)構(gòu)二硫化鎢的研究進展
施凱烽 謝鳳(空軍勤務(wù)學院,江蘇 徐州 221000)
本文中,對富勒烯和納米管結(jié)構(gòu)二硫化鎢(IFWS2)的制備方法與理化性質(zhì)做出闡述與介紹,為其研究的進一步開展提供參考。
富勒烯;納米管;二硫化鎢
富勒烯納米材料的結(jié)構(gòu)非常奇特,性質(zhì)優(yōu)異,潛在應(yīng)用領(lǐng)域眾多,因此發(fā)現(xiàn)后受到十分廣泛的關(guān)注,全世界科學家均對其展開研究?,F(xiàn)階段,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)各種層狀無機化合物的納米粒子與納米管,IF-WS2即為其中之一,IF-WS2結(jié)構(gòu)為準球形,懸空鍵并不存在,表面能低,化學穩(wěn)定性高,具有遠遠超過傳統(tǒng)層狀2H-WS2的摩擦性能??茖W家研究IF-WS2時,制備方法、理化性質(zhì)依然是研究的重點,因此,這兩方面研究進展的綜述具有十分重要的現(xiàn)實意義。
化學氣固反應(yīng)法是最早使用的制備方法,而且該種合成方法也是目前研究最為清楚、成熟的。最初,R.Tenne等利用H2S、WO3薄膜,反應(yīng)時的還原性氣氛為(95%N2+5%H2),溫度850℃,將IF-WS2納米粒子與納米管合成出來。經(jīng)研究的進展,學者發(fā)現(xiàn),此種方法合成時獲得的產(chǎn)物量非常少。隨后,F(xiàn)eldman Y等將WO3薄膜替換為WO3粉,并改進反應(yīng)器,合成后獲得的產(chǎn)物量比較客觀,每次可達到50mg。2000年時,不改變反應(yīng)原料條件下,硫化床反應(yīng)器被設(shè)計出來,有效的實現(xiàn)了連續(xù)制備IFWS2納米粒子與納米管。目前,IF-WS2納米粒子與納米管利用此種方法制備時,每月制備產(chǎn)量幾千克,且具有完美結(jié)構(gòu),已經(jīng)實現(xiàn)小批量工業(yè)化生產(chǎn),銷售中心也已經(jīng)建立在美國。
Y.Q.Zhu以SiO2為原料,采用W箔加熱,并將反應(yīng)氣氛改變,使WS2納米管經(jīng)兩步合成。在加熱裝置中,不銹鋼容器與其連接,利用水冷卻電極,W箔連接電極,于容器底部放置,而容器頂部則放置SiO2薄片。首先,使整個容器內(nèi)充滿Ar氣,接著將35A電流與W箔連接,30min后,W箔溫度經(jīng)光學測溫儀測量,溫度1200℃后,保溫0.5h,樹狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在SiO2薄片邊緣,檢測后發(fā)現(xiàn)屬于納米棒,此時,H2S氣體快速的輸入到不銹鋼通氣中,電流同時降低到30A,并降低容器內(nèi)溫度,降至1000℃后,保溫0.5h,完成后,灰色針狀結(jié)構(gòu)存在于SiO2薄片邊緣[1]。電源關(guān)閉,冷卻,達到室溫后,收集針狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物,此種產(chǎn)物即為WS2納米管。
低溫下,WS2納米管可利用熱分解法制備。首先,將(NH4)2WS2制備出來,反應(yīng)原料為HN4S與(NH4)6W12O39,之后通過H2氣氛,球磨上步制備出來的產(chǎn)物,達到納米尺寸或無定型后停止,使其表面增大,促進其缺陷及反應(yīng)活性增加。球磨前,(NH4)2WS2表面積測量值為1.2m2/g,球磨后,增加到11.5m2/g。完成球磨后,在石英坩堝中放置(NH4)2WS2納米粉,使其散開盡量進行,管式爐上放置石英坩堝,H2與C4H4S氣氛下,將溫度增加到360℃,保溫0.5h,隨后,氣氛不變,冷卻溫度,到達室溫后,對產(chǎn)物做出檢測,發(fā)現(xiàn)是WS2納米管[2]。
R.L.D.Whitby在進行單壁WS2納米管制備時,采用多壁碳納米管。-78℃液氮條件下,50mg多壁碳納米管中放置H2WO4250mg,充分混合后室溫下?lián)]發(fā)液氮,完成后,加熱固體殘留物,空氣流100m l/min,溫度達到350℃后,給予15min保溫,轉(zhuǎn)化多壁碳納米管表面的H2WO4,變?yōu)閃O3,并使其表面覆蓋的無定型碳被去除。經(jīng)EDX分析發(fā)現(xiàn),WO3-x覆蓋在多壁碳納米管表面,對其加熱處理后,收集產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是單層WS2包裹的多壁碳納米管。
Reshef Tenne等2006年時以多壁WS2無機類富勒烯納米管為研究對象,實施大量的力學實驗,結(jié)果顯示,研究對象所具備的力學特性與化學鍵特性強度相當。向納米管實施張力測試,拉斷之后,繪制出勞損曲線,發(fā)現(xiàn)納米管的彈性行為非常好,計算曲線斜率后,楊氏模量超過130Gpa的占據(jù)總量的50%,此種張力高出不銹鋼的7倍左右。
大量理論及實驗指出,IF-WS2的耐磨性能與抗高壓能力均比較好,原因是其所具備的閉合殼層是完整的,最低程度的降低了未飽和的懸鍵,所以化學惰性良好,可有效的避免鍵合試件表面的金屬原子,促進磨粒與自身或磨屑形成。同時,還具備較高的熱學穩(wěn)定性,載荷較寬的范圍內(nèi),優(yōu)異潤滑性能可較長時間保持。因硬質(zhì)金屬鎢嵌入其中,促使抗載荷能力明顯提高。
近幾年,成功制備了單根WS2納米管基礎(chǔ)上的光電晶體管,此晶體管可對可見光靈敏度做出檢測,不僅提高了3倍載流子遷移率,而且提高了20倍載流子密度,現(xiàn)階段,醫(yī)療電子設(shè)備、家電行業(yè)廣泛的應(yīng)用此種晶體管。
結(jié)論:現(xiàn)階段,國外已經(jīng)具備比較成熟的制備IF-WS2納米粒子與納米管的技術(shù),與國外相比,我國研究比較少,且較為滯后,應(yīng)進一步的加大研究,以能充分的利用我國豐富的鎢材料。
[1]李國華,曾躍武,宋旭春,等.多元金屬二硫化物納米管的制備與結(jié)構(gòu)特征[J].無機材料學報,2014,(03):481-486.
[2]韓明儒,魏世忠,韓華.無機類富勒烯結(jié)構(gòu)二硫化鉬納米潤滑材料的制備與應(yīng)用[J].軸承,2014,(09):55-59.
施凱烽(1993-),男,浙江東陽人,研究生在讀,應(yīng)用化學專業(yè),航空油料應(yīng)用技術(shù)方向。