闪速加热让废弃玻璃秒变高价值纳米线
创始人
2026-03-17 13:58:15

科技日报讯(记者刘霞)美国莱斯大学科学家利用名为“氟辅助闪光焦耳热”(FAF)的创新工艺,在短短数秒内,将废弃玻璃及富含硅的煤废料,高效转化为工业应用价值极高的碳化硅纳米线。相关研究成果发表于最新一期《物质》杂志。

碳化硅是一种由硅与碳通过强共价键构成的先进陶瓷材料,其硬度仅次于钻石,为已知最坚硬材料之一。此外,它还拥有令半导体行业垂青的宽带隙特性,并能耐受极端高温高压环境。

当碳化硅缩小至纳米线尺度,其性能更上一层楼。这种独特的一维结构拥有极高的“长径比”,赋予了它超群的导热性和耐磨性,在众多尖端工业领域应用前景广阔。然而,传统合成方法不仅需要昂贵的起始原料,还依赖极高的温度和昂贵的催化剂,导致其生产成本高昂且环境负担沉重。

团队巧妙利用FAF焦耳热工艺破解了这一难题。他们先将废玻璃或煤灰等硅源研磨成粉,与焦炭或炭黑等碳源均匀混合,并添加微量的氟化物(如约1%的氟化钠)。随后,将混合物置于特制管中,施加高功率电脉冲,使其在瞬间(不到一分钟内)被迅速加热至约2000℃。在接下来的快速冷却过程中,碳化硅纳米线便以高度有序的立方晶格形式结晶析出。该工艺表现卓越,纳米线的选择性高达78%,硅元素的转化率更是达到了惊人的96%。

团队还能通过精确调控电闪光的持续时间及氟化物的添加量,“裁剪”纳米线的长度。

为验证所得材料的性能,团队将提取纯化后的碳化硅纳米线作为增强填料,掺入乙烯基酯树脂中制备成复合材料。经过一系列严苛的机械与热学测试,并与市售碳化硅粉末进行对比,结果显示:新型碳化硅纳米线展现出压倒性优势。即使仅添加1%(按重量计),复合材料的杨氏模量、硬度和耐磨性也分别提升了41%、62%和28%。

这项新技术的益处远不止于产品性能的提升。得益于其极快的加热过程,整个纳米线合成工艺在水资源、能源消耗以及二氧化碳排放方面均减少了约90%。

编辑:祝萍

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