Otrzymywanie nanowłókien węglika krzemu na drodze syntezy spaleniowej

Poniższa praca opisuje wyniki badań dotyczących syntezy nanowłókien węglika krzemu z wykorzystaniem samorozprzestrzeniającej się syntezy spaleniowej. W pierwszych rozdziałach przedstawiono systematyczny przegląd literatury dotyczącej właściwości węglika krzemu oraz przemysłowych i laboratoryjnych metod jego otrzymywania. Część teoretyczna pracy obejmuje również wprowadzenie do syntezy spaleniowej z przykładami jej zastosowania. Sekcja eksperymentalna to opis wyników badań parametrycznych ukierunkowanych na otrzymywanie przedmiotowego nanomateriału. Pośród testowanych parametrów syntezy znalazł się skład mieszaniny wyjściowej oraz atmosfera procesu. Podczas serii syntez zastosowano następujące reagenty: proszek poli(tetrafluoroetylenu), poli(fluorek winylidenu), mikro i nanometrowy proszek krzemowy, sadzę techniczną oraz węgiel amorficzny o 99% zawartości izotopu 13C. Sprawdzono również możliwość wykorzystania odczynników odpadowych. Poli(tetrafluoroetylen) pozyskano z odpadów poprodukcyjnych, z kolei krzem z uszkodzonych paneli słonecznych. Oprócz zmiany składu jakościowego mieszaniny wyjściowej zmieniano również granulację proszków oraz wzajemny stosunek masowy składników. W badaniach wykorzystano kilka gazów roboczych tworzących wyjściową atmosferę procesu, w tym powietrze, tlen, azot, argon, tlenek węgla(II), tlenek węgla(IV) oraz hel. Badania zaowocowały opracowaniem kilku zestawów parametrów pozwalających na otrzymanie nanowłókien o średnicach z zakresu 50-400 nm z zachowaniem konwersji krzemu w kierunku produktu głównego na poziomie od kilkunastu do ponad 50%. Jako przykłady obserwacji uczynionych podczas realizacji niniejszej pracy można wymienić stwierdzenie, że w syntezach prowadzonych z wykorzystaniem poli(fluorku winylidenu) w miejsce poli(tetrafluoroetylenu) można uzyskać znacznie większą ilością produktów stałych, czy też, że w przypadku zamiany mieszaniny dwuskładnikowej (poli(tetrafluoroetylen)-krzem) na trójskładnikową (poli(tetrafluoroetylen)-krzem-sadza techniczna) realizacja samorozprzestrzeniającej się syntezy spaleniowej możliwa jest tylko przy minimalnym masowym udziale węgla z poli(tetrafluoroetylenu) na poziomie 30%. Wielokrotnie udało się również odnaleźć nanostruktury dowodzące, że mechanizmem wzrostu jednowymiarowych struktur SiC jest mechanizm para-ciecz-ciało stałe (VLS - ang. vapour-liquid-solid). Dowiedziono również, że wykorzystanie odpadowych prekursorów krzemu i węgla pozwala otrzymać dobrej jakości nanowłókna SiC.

The aim of this dissertation is to present the results of the research on the synthesis of silicon carbide nanowires via self-propagating combustion synthesis. The beginning chapters include a systematic literature review connected with silicon carbide properties and its industrial and laboratory synthesis methods. The theoretical part contains the basics of the combustion synthesis and examples of its applications. The experimental section reports the results of the parametric experiments focused on the synthesis of the silicon carbide nanowires. The composition of the initial mixture and the process atmosphere were the key parameters tested. During the experiments, the following materials were applied: polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride powders, silicon powders with micro and nano grain size, carbon black and amorphous carbon which contains 99% of 13C isotope. The experiments included qualitative and quantitative variations of the composition of the initial mixture. Air, oxygen, nitrogen, argon, carbon monoxide and carbon dioxide were tested as a process atmosphere. The research resulted in several parameters sets that allow obtaining the silicon carbide nanowires with the diameter in the range between 50 and 400 nm. A silicon to silicon carbide conversion rate reached the level up to more than 50%. As some examples of observations made during the realization of this study one can mention: when the self-propagating combustion synthesis of silicon carbide is carried out with the use of polyvinylidene fluoride instead of polytetrafluoroethylene, a much larger amount of solid products can be obtained; or that in the case of replacing the two-component mixture (polytetrafluoroethylene-silicon) by the three-component mixture (polytetrafluoroethylene-silicon-black carbon) the self-propagating combustion synthesis can be only realized when the polytetrafluoroethylene is a source of at least 30% of carbon used to carry out this process. Many evidences that the growth of one-dimensional SiC structures is realized by the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism have been also found. The experiments also confirmed that using waste precursors of silicon and carbon allows obtaining the SiC nanowires with good quality.