采用電-熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法技術

本發明專利技術公開了采用電?熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法。該方法選取純錫或錫基合金為中間層材料；采用中間層材料將熔點和強度高于錫或錫基合金的兩截金屬材料導體端面通過釬焊連接方式組裝成夾層結構試件；將所述夾層結構試件裝夾在可控溫加熱爐腔室內；將可控溫加熱爐爐溫升至低于中間層材料熔點1～5℃后，對試件通以峰值電流密度不低于1.0×104A/cm2的電流后使夾層結構試件快速斷裂，試件中間層部位斷裂區域處的錫被氧化成多種形態的二氧化錫。本發明專利技術利用電?熱耦合場加載由純錫或錫基合金中間層連接的導電構件制備二氧化錫，制備過程簡單、工藝實施便捷，且耗能低、成本低、無環境污染。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種采用電-熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法，屬于金屬氧化物材料和半導體材料制備領域。
技術介紹
二氧化錫(SnO2)是一種重要金屬氧化物無機材料及n型半導體傳感器材料。作為無機非金屬材料，主要用作陶瓷釉料成分、玻璃涂層材料和拋光材料等。作為半導體傳感器材料，其具有較寬的禁帶寬度(室溫下帶寬為3.6eV)、較高的化學反應靈敏度、量子隧道效應等，已被廣泛用作n型半導體氣敏元件、催化劑、催化劑載體、透明導電電極、鋰離子電池負極材料等。二氧化錫優異的電學、光學和電化學等性能受其形態影響很大；因此，合成或制備不同形態的二氧化錫具有重要的研究意義和重要的工業應用價值。為獲得二氧化錫，目前已研究和提出多種合成路線和制備方法。根據所選原料狀態的不同可分為氣相合成法、液相合成法和固相合成法，這些方法各有利弊。例如，常規的氣相合成法可制備出純度較高、粒徑均一的二氧化錫，但對設備要求高，且需高溫(≥2260℃)、電弧、激光等苛刻條件，并需要嚴格控制反應壓力、溫度、氣體配比和流速等合成參數；液相合成法可提供多種合成路徑，但液相合成法存在成本較高、固液分離困難、易污染環境等缺點；固相合成法制備路徑簡單，但易摻入雜質且成本較高。為改進常規的合成路線和制備方法，Su等通過電弧放電法(J.Nanosci.Nanotech.2013,13:1078-1081)制備顆粒狀二氧化錫，Liu等采用靜電紡絲工藝制備二氧化錫(NanoLett.2007,7(4):1081-1085)，李珍等采用電子束輻照四氯化錫和聚乙烯醇的混合溶液體來制備二氧化錫(中國專利技術專利CN101298338A)，而劉志權等則利用電子束輻照錫晶須來制備二氧化錫(中國專利技術專利CN102653414A)。雖然改進后的合成路線和制備方法在二氧化錫產量和純度等方面有所改善，但仍存在所得二氧化錫形態單一、合成條件要求較高和成本較高等局限性，如Su等通過電弧放電法制備二氧化錫時，二氧化錫是由錫粉在電弧放電產生的高溫作用下氣化后氧化、凝華而成，所得二氧化錫最終呈現形貌單一的顆粒狀，使用電弧放電法制備二氧化錫需在氣密性容器內進行，并需控制氣密性容器內氣氛，即制備時需先后用機械泵和分子泵對氣密性容器進行抽真空至50Pa，再向氣密性容器內通入氬氣與空氣的混合氣體作為緩沖氣體，可見其合成條件要求較高，制備成本也因此變高。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種采用電-熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法，解決現有技術路線中采用單一方法難以實現一次制備多種形態二氧化錫、合成路線復雜、制備條件苛刻、成本較高等問題。本專利技術以純錫(Sn)或錫基合金作為中間層，將其加熱熔化并與熔點和強度均較高的金屬材料導體發生冶金反應，即釬焊連接組裝成各橫截面等尺寸的夾層結構(即“三明治”結構)試件；其中中間層材料自身即為釬料，當其與熔點和強度均較高的金屬材料導體一起加熱時，中間層材料因熔點低于金屬材料導體而先發生熔化，此時中間層材料與金屬材料導體間發生冶金反應即釬焊。然后在一定的溫度下對試件通電，利用高密度電流應力和焦耳熱耦合(即電-熱耦合)作用引發中間層熔化并由熔體斷裂瞬間產生的高溫將錫氧化成二氧化錫，同時熔體斷裂瞬間產生的電火花對熔融態中間層的沖擊作用和二氧化錫的取向凝固使生成的二氧化錫呈現出多種形態。本專利技術目的通過如下技術方案實現：采用電-熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法，包括如下步驟：(1)選取純錫或錫基合金為中間層材料；(2)采用中間層材料將熔點和強度高于錫或錫基合金的兩截金屬材料導體端面經磨拋處理平整后通過釬焊連接方式組裝成各橫截面等尺寸夾層結構試件；(3)將所述夾層結構試件裝夾在可控溫加熱爐腔室內；(4)將可控溫加熱爐爐溫升至低于中間層材料熔點1～5℃后，對試件通以峰值電流密度不低于1.0×104A/cm2的電流后使夾層結構試件快速斷裂，試件中間層部位斷裂區域處的錫被氧化成二氧化錫。為進一步實現本專利技術目的，優選地，所述純錫為工業純錫，所述錫基合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-3.9Ag-0.6Cu、Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-0.5Ag-0.7Cu、Sn-0.5Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag、Sn-0.7Cu和Sn-0.7Cu-0.05Ni中任意一種或多種。優選地，所述金屬材料包括鈦、錳、鈷、鎳、銅、鋅、鈮、鈀、銀、銻、鉑、金及其合金。優選地，所述夾層結構試件為圓形、方形或矩形。優選地，制備的二氧化錫呈樹枝狀、松針狀、珊瑚狀、針葉狀、風滾草狀、草叢狀、海膽狀、絨毛狀和棉絮狀多種形態。優選地，所述步驟(3)夾層結構試件在可控溫加熱爐腔室內裝夾時將絕緣板貼附在夾具上進行良好的電氣絕緣。優選地，步驟(4)中所通電流為直流電流或交流電流。本專利技術中利用電-熱耦合場加載制備二氧化錫的方法，解決了現有技術路線中采用單一方法難以實現一次制備多種形態二氧化錫、合成路線復雜、制備條件苛刻、成本較高等問題。相對于氣相合成法及普通的液相和固相合成法而言，本專利技術具有以下優點：1、本專利技術一次可制備出不同形態的二氧化錫；2、本專利技術所需制備溫度較低；3、本專利技術對制備條件(尤其是氣氛)沒有特別要求，可在大氣條件下實現二氧化錫的制備；4、本專利技術制備條件易得，制備過程簡單，且耗能低、成本低、無環境污染。附圖說明圖1為實施例1所得樹枝狀二氧化錫的掃描電鏡(ScanningElectronMicroscope，SEM)圖。圖2為實施例1所得松針狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖3為實施例1所得珊瑚狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖4為實施例1所得針葉狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖5為實施例1所得風滾草狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖6為實施例1所得草叢狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖7為實施例1所得海膽狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖8為實施例1所得絨毛狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖9為實施例1所得棉絮狀二氧化錫的掃描電鏡圖。圖10為實施例1所得二氧化錫的能譜(EnergyDispersiveSpectrometer，EDS)圖譜。圖11為實施例1所得二氧化錫的拉曼(Raman)光譜圖譜。具體實施方式為更好地理解本專利技術，下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步的說明，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例1(1)利用直徑為400微米的Sn-3.0Ag-0.5Cu合金球(熔化溫度為217.1℃)為中間層材料，將直徑為300微米的純銅絲和純鎳絲端面經磨拋處理平整后，放置在表面帶有V形槽的鋁制夾具上，純銅絲和純鎳絲已磨拋平整的端面相對放置并間隔200微米，在此200微米間隙內放入被壓扁的中間層材料Sn-3.0Ag-0.5Cu合金球，再將帶有V形槽的鋁制夾具放置在BGA(BallGridArray，球柵陣列)返修臺上，通過BGA返修臺加熱，實現純銅絲、純鎳絲與中間層材料間的釬焊連接，即制備成各橫截面等尺寸的“銅絲/Sn-3.0Ag-0.5Cu合金/鎳絲”結構(即“三明治”結構)試件。中間層材料自身即為釬料，當其與熔點和強度均較高的金屬材料導體一起加熱時，中間層材料因熔點低于金屬材料導體而先發生熔化，此時在中間層材料與金屬材料導體間發生冶金反應即釬焊。(2)打開動態力學分析儀(DynamicMe本文檔來自技高網...

【技術保護點】
采用電?熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法，其特征在于包括如下步驟：(1)選取純錫或錫基合金為中間層材料；(2)采用中間層材料將熔點和強度高于錫或錫基合金的兩截金屬材料導體端面經磨拋處理平整后通過釬焊連接方式組裝成各橫截面等尺寸夾層結構試件；(3)將所述夾層結構試件裝夾在可控溫加熱爐腔室內；(4)將可控溫加熱爐爐溫升至低于中間層材料熔點1～5℃后，對試件通以峰值電流密度不低于1.0×104A/cm2的電流后使夾層結構試件快速斷裂，試件中間層部位斷裂區域處的錫被氧化成多種形態的二氧化錫。

【技術特征摘要】
1.采用電-熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法，其特征在于包括如下步驟：(1)選取純錫或錫基合金為中間層材料；(2)采用中間層材料將熔點和強度高于錫或錫基合金的兩截金屬材料導體端面經磨拋處理平整后通過釬焊連接方式組裝成各橫截面等尺寸夾層結構試件；(3)將所述夾層結構試件裝夾在可控溫加熱爐腔室內；(4)將可控溫加熱爐爐溫升至低于中間層材料熔點1～5℃后，對試件通以峰值電流密度不低于1.0×104A/cm2的電流后使夾層結構試件快速斷裂，試件中間層部位斷裂區域處的錫被氧化成多種形態的二氧化錫。2.根據權利要求1所述的采用電-熱耦合場加載制備多形態微納米二氧化錫的方法，其特征在于，所述純錫為工業純錫，所述錫基合金包括Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-3.9Ag-0.6Cu、Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-0.5Ag-0.7Cu、Sn-0.5Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag、Sn-0....

【專利技術屬性】
技術研發人員：張新平，李望云，周敏波，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44