碳还原剂控制氧化锌晶须生长工艺方法.pdf

本发明涉及材料研究领域，主要涉及金属、陶瓷及高分子基复合材料制备及应用领域。
    目前，世界上已制备出的晶须达数十种，其主要品种为SiC，Si3N4，Al2O3等。由于其制备温度高，例如，β-SiC晶须制备温度在1400-1500℃，2H-SiC晶须为1900℃;工艺及设备复杂;生产率低等因素的影响，价格昂贵，工业应用前景渺茫。另外上述晶须材料用途有限，如SiC晶须仅能作为金属，陶瓷结构材料的增强体使用。日本松下产业公司研制成功的氧化锌晶须，成本较低，并在多功能领域上具有重要的应用前景，因而该种材料是目前晶须材料中最有市场价值的新型材料。日本松下产业公司制备氧化锌晶须的工艺中，为控制ZnO晶须生长速度，对金属锌粉进行特种工艺处理，例如用纯Zn丝弧熔喷粉，将制得的Zn粉置于离子交换水中用乳钵型擂溃机搅拌处理25分钟，然后在20℃水中放置75小时，环境为大气气氛，再于130℃干燥3小时去除水分，目的是让锌粉表面形成密封性氧化膜，控制晶须生长速度，获得长径比较大的优质晶须材料。该工艺过程复杂，增加了大量的人力及设备投入。

    本发明的目的是提供一种制造高性能四针状氧化锌晶须材料的简便工艺方法。

    本发明的技术方案是：以锌粉和焦碳粉为混合原料，铺于容器底部，大气中加热到一定温度，金属锌蒸汽在CO2，CO，O2混合气氛中，即一定的氧偏压条件下，缓慢氧化，沉积生长，从而形成长径比大的四针状氧化锌晶须。

    制造氧化锌晶须使用的原料是金属锌粉，其熔点为692.7K（420℃）。在较高温度下，锌蒸发平衡分压很高，与空气地氧接触极易氧化并迅速长大成为颗粒状的氧化锌。日本松下产业公司制造工艺中，利用锌粉表面形成的密封性氧化膜控制锌蒸发速度，减缓生长速度，但其处理工艺较为复杂。本发明采用固体碳还原剂，控制炉内氧分压，从而获得了更好的生长效果。

    图1是本发明ZnO晶须生长的热力学原理图。

    图2是ZnO晶须成分XPS图谱。

    图3是ZnO晶须聚合体SEM形貌图。

    下面结合附图对本发明作进一步描述：图1是炉内气氛控制的热力学原理图，由图看出，固体碳与氧结合生成二氧化碳，反应系统自由能量低，反应耗费相当数量的氧。其次，在950℃（约1220K）温度以上固体碳与氧结合生成一氧化碳的反应自由能也低于锌蒸汽或固体锌的氧化反应能力，故而进一步降低炉内气氛中的氧分压，有利于氧化锌晶须的生长。从图1可看出，高于950℃，固体炭有利于弱氧化气氛的形成，从而控制氧化锌晶须的生长速度，获得长径比大的晶须。

    图2是在XSAM-800电子能谱仪（XPS）测定的晶须成分谱图，图中仅出现强的Zn（2p）峰，O（IS）峰，表明该材料为纯度极高的氧化锌晶须材料。

    图3是ZnO晶须聚合体扫描电镜形貌图。从图中看出氧化锌晶须是由中心向三维方向展开的四根针状单晶体组成，每根针的长度为10-100μm，根部直径0.2-2μm每两根相邻针间夹角近似109°。为提高晶须形貌照相清晰度，该样品进行过真空镀金处理，部分针上的白色块片为金片。

    根据本发明所描述的工艺方法可很方便地制造出高纯和长径比大的四针状氧化锌晶须。该材料被用于金属基复合材料，增强效果显著;制作高分子复合材料，具有强的微波吸收作用，同时具有显著的减震阻尼作用。

    实施例：

    取100克粒度为60-120目的锌粉，混入20克同样粒度的焦碳粉，铺于容器的底部，将装有混合料的容器置于高温箱式电炉中，大气环境下，950-1050℃加热10-20分钟。容器底部及箱式电炉底部生长出针长20-100μm，根部直径0.2-2μm的氧化锌晶须。晶须产额约100克，外观呈白色松散粉状堆积体，比重约0.04-0.1g/cm3，压按时体积收缩，有弹性感。除容器底部有少许黄色粉状物外，显微观察表明晶须生长情况良好，无细份颗粒出现。