層片狀納米結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高純度、高產率制備WSJl片狀納米結構的方法，屬于材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]二硫化鎢(WS2)是一種較早使用的固體潤滑材料，具有優異的摩擦潤滑性能、抗輻射能力、熱穩定性和耐氧化性，高的抗壓性能以及較寬的溫度適用范圍。WS2最早應用在1962年發射的美國水手號太空船關鍵部位的潤滑，效果極佳。制備和應用一直作為軍事技術被嚴格保密，直到1984年美國才放松其管制，隨后WS2開始被引入其他工業領域，如潤滑油添加劑等。
[0003]研究表明，評^優異的抗摩擦磨損性能源于其使用過程中易于解理的層片狀晶體結構。隨著科學技術的發展，人們發現，和普通顆粒狀WSjg比，納米層片狀WS 2具有更高的表面能、更強的吸附性，因此具有更優異的潤滑效果。此外，隨著以石墨烯為代表的二維層狀結構材料的不斷發展，人們還發現WS2和石墨烯類似具有特殊的光學和電學性質，在新一代半導體集成電路和新能源材料等領域中可望得到應用。因此，世界各國都很重視對納米層狀WS2的制備研究。
[0004]目前，WS2納米結構的制備方法主要分為化學法和物理法兩大類。如采用化學方法制備ws2m米結構，常用含W前驅體(如WO3)和含硫前驅體(如S粉)混合反應的辦法。這類方法產率較高，但是產物形貌難于控制，較難獲得納米結構，且純度不高，需要復雜的后續提純除雜等工序。如果采用氣相沉積等物理方法制備ws2m米結構，具有制備過程簡單、工藝參數可控性強和制備材料多為晶體等特點。目前這類方法普遍的做法是，使用易揮發的含W前驅體(如W(C0)6、胃03等)和H2S等還原性含硫氣氛相互作用沉積而成，因而生成的納米結構在形貌很大程度上受到含W前驅體組成和結構、基片組成與結構、沉積氣氛與溫度等條件的限制，且產量不高。此外，依賴于物理氣相沉積設備的復雜性，制備成本可能會很高。
[0005]為了實現高純度WSJl片狀納米結構的大規模制備，本發明提出了一種在真空環境下分離式加熱蒸發S粉和WO3粉術的方法，很容易地制備得到了大量的高純度、高密度的WSJl片狀納米結構。本方法具有設備和工藝簡單，合成生長條件嚴格可控，產品純度高、產率高、成本低廉等優點。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提出一種高純度、高產率制備WSJl片狀納米結構的方法，該方法在真空加熱爐中，以三氧化鎢(WO3)粉和硫(S)粉作為蒸發源，在真空環境中通過分離式加熱蒸發的方法，在載氣帶動下，高產率一步合成得到高純度、高密度的WSJl片狀納米結構。該方法具有設備和工藝簡單、材料合成與生長條件嚴格可控、產品收率高、成本低廉等優點。所獲得的WSJl片狀納米結構，厚度在50-250nm之間，直徑在20_40μπι之間，產物純度高，納米結構直徑和厚度均勻，形貌可控，可望在固體潤滑劑、潤滑油添加劑、半導體器件以及新能源材料領域獲得廣泛應用。
[0007]本發明提出的高純度、高產率制備WSJl片狀納米結構的方法，其特征在于，所述方法在真空加熱爐中，以胃03粉和S粉作為蒸發源，在真空環境中、在載氣帶動下同時分別對蒸發源進行加熱蒸發(即分離式加熱蒸發)，高產率一步合成高純度、高密度的WSJl片狀納米結構。
[0008]本發明提出的WSJl片狀納米結構制備方法，包括以下步驟和內容:
[0009](I)在真空加熱爐中，將分別裝有蒸發源胃03粉和S粉的氧化鋁瓷舟放置在爐中央的加熱區域；
[0010](2)在加熱前，先用真空栗對整個系統抽真空至12Pa以下，然后向系統中通入高純惰性載氣，并重復多次，直到排除系統中的殘余空氣。然后以5-20°C /min速率升溫到950-1350°C，并保溫0.5-3小時。在整個加熱過程中，在真空栗持續工作的前提下通入載氣直到加熱爐自然降溫到室溫。最終，氧化鋁瓷舟里的胃03粉全部被S粉還原為高純度、高密度WSJl片狀納米結構。
[0011]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的真空加熱爐有水平真空管式爐、立式真空箱式爐、立式真空管式爐、井式真空電爐之一種。
[0012]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發源為市售分析純WO3粉和S粉。
[0013]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發源103粉的晶粒尺寸在200nm到2 μπι之間。
[0014]在上述制備方法中，所述步驟(I)中的蒸發源S粉為高純硫或者升華硫。
[0015]在上述制備方法中，所述步驟⑴中的WO3粉和S粉的質量比控制在1:1到I: 20之間。
[0016]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的高純惰性載氣為氬氣、氮氣之中的一種。
[0017]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的高純惰性載氣純度在99.99vol.%以上。
[0018]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的加熱過程中通入的載氣流量為20-100標準立方厘米每分鐘(sccm)。
[0019]在上述制備方法中，所述步驟(2)中在整個加熱過程中，在真空栗持續工作的前提下通入載氣時，要控制載氣的通入方式和流量，達到兩個目:一是在WSJl片狀納米結構的合成過程中，讓蒸發源硫粉形成的蒸汽在蒸發源WO3粉上方形成蒸汽流，然后利用WO 3粉微蒸發形成的蒸汽和S蒸汽進行微循環和微交換、反應生成WSJl片狀納米結構，二是在WS 2層片狀納米結構的合成完成后，在降溫到室溫的過程中的高溫段，產物得到保護而不被氧化。因此，為了達成上述目的，在上述制備方法中，所述步驟(I)中還要控制分離式放置的裝有蒸發源WO3粉和S粉的氧化鋁瓷舟之間的距離，應該小于10cm，且裝有蒸發源S粉的氧化鋁瓷舟應該位于載氣氣流的上方，即沿著氣流方向裝有蒸發源S粉的氧化鋁瓷舟應該位于裝有蒸發源胃03粉的氧化鋁瓷舟之前。總之，在上述制備方法中，所述分離式加熱蒸發就是將蒸發源按照前述原則分開放置，但是在載氣的帶動下同時加熱蒸發。
[0020]在上述制備方法中，所得到的WSJi片狀納米結構厚度在50-250nm之間，直徑在20-40 μπι之間；產物純度高，純度在99.9%以上；產品收率高，原料WO3粉幾乎完全轉化為WSJl片狀納米結構。
[0021]采用本技術制備WSJl片狀納米結構，具有設備和工藝簡單、材料合成與生長條件嚴格可控、產品收率高、成本低廉等優點。所獲得的WSJl片狀納米結構，產物純度高，納米結構直徑和厚度均勻，形貌可控。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明實施例1所制得的WSJi片狀納米結構的X-射線衍射花樣
[0023]圖2是本發明實施例1所制得的WSJl片狀納米結構的掃描電鏡照片
[0024]圖3是本發明實施例2所制得的WSJl片狀納米結構的X-射線衍射花樣
[0025]圖4是本發明實施例2所制得的WSJl片狀納米結構的掃描電鏡照片
【具體實施方式】
[0026]下面結