采用电-热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法技术

本发明专利技术公开了采用电‑热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法。该方法选取纯锡或锡基合金为中间层材料；采用中间层材料将熔点和强度高于锡或锡基合金的两截金属材料导体端面通过钎焊连接方式组装成夹层结构试件；将所述夹层结构试件装夹在可控温加热炉腔室内；将可控温加热炉炉温升至低于中间层材料熔点1～5℃后，对试件通以峰值电流密度不低于1.0×104A/cm2的电流后使夹层结构试件快速断裂，试件中间层部位断裂区域处的锡被氧化成多种形态的二氧化锡。本发明专利技术利用电‑热耦合场加载由纯锡或锡基合金中间层连接的导电构件制备二氧化锡，制备过程简单、工艺实施便捷，且耗能低、成本低、无环境污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用电-热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法，属于金属氧化物材料和半导体材料制备领域。
技术介绍
二氧化锡(SnO2)是一种重要金属氧化物无机材料及n型半导体传感器材料。作为无机非金属材料，主要用作陶瓷釉料成分、玻璃涂层材料和抛光材料等。作为半导体传感器材料，其具有较宽的禁带宽度(室温下带宽为3.6eV)、较高的化学反应灵敏度、量子隧道效应等，已被广泛用作n型半导体气敏元件、催化剂、催化剂载体、透明导电电极、锂离子电池负极材料等。二氧化锡优异的电学、光学和电化学等性能受其形态影响很大；因此，合成或制备不同形态的二氧化锡具有重要的研究意义和重要的工业应用价值。为获得二氧化锡，目前已研究和提出多种合成路线和制备方法。根据所选原料状态的不同可分为气相合成法、液相合成法和固相合成法，这些方法各有利弊。例如，常规的气相合成法可制备出纯度较高、粒径均一的二氧化锡，但对设备要求高，且需高温(≥2260℃)、电弧、激光等苛刻条件，并需要严格控制反应压力、温度、气体配比和流速等合成参数；液相合成法可提供多种合成路径，但液相合成法存在成本较高、固液分离困难、易污染环境等缺点；固相合成法制备路径简单，但易掺入杂质且成本较高。为改进常规的合成路线和制备方法，Su等通过电弧放电法(J.Nanosci.Nanotech.2013,13:1078-1081)制备颗粒状二氧化锡，Liu等采用静电纺丝工艺制备二氧化锡(NanoLett.2007,7(4):1081-1085)，李珍等采用电子束辐照四氯化锡和聚乙烯醇的混合溶液体来制备二氧化锡(中国专利技术专利CN101298338A)，而刘志权等则利用电子束辐照锡晶须来制备二氧化锡(中国专利技术专利CN102653414A)。虽然改进后的合成路线和制备方法在二氧化锡产量和纯度等方面有所改善，但仍存在所得二氧化锡形态单一、合成条件要求较高和成本较高等局限性，如Su等通过电弧放电法制备二氧化锡时，二氧化锡是由锡粉在电弧放电产生的高温作用下气化后氧化、凝华而成，所得二氧化锡最终呈现形貌单一的颗粒状，使用电弧放电法制备二氧化锡需在气密性容器内进行，并需控制气密性容器内气氛，即制备时需先后用机械泵和分子泵对气密性容器进行抽真空至50Pa，再向气密性容器内通入氩气与空气的混合气体作为缓冲气体，可见其合成条件要求较高，制备成本也因此变高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用电-热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法，解决现有技术路线中采用单一方法难以实现一次制备多种形态二氧化锡、合成路线复杂、制备条件苛刻、成本较高等问题。本专利技术以纯锡(Sn)或锡基合金作为中间层，将其加热熔化并与熔点和强度均较高的金属材料导体发生冶金反应，即钎焊连接组装成各横截面等尺寸的夹层结构(即“三明治”结构)试件；其中中间层材料自身即为钎料，当其与熔点和强度均较高的金属材料导体一起加热时，中间层材料因熔点低于金属材料导体而先发生熔化，此时中间层材料与金属材料导体间发生冶金反应即钎焊。然后在一定的温度下对试件通电，利用高密度电流应力和焦耳热耦合(即电-热耦合)作用引发中间层熔化并由熔体断裂瞬间产生的高温将锡氧化成二氧化锡，同时熔体断裂瞬间产生的电火花对熔融态中间层的冲击作用和二氧化锡的取向凝固使生成的二氧化锡呈现出多种形态。本专利技术目的通过如下技术方案实现：采用电-热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法，包括如下步骤：(1)选取纯锡或锡基合金为中间层材料；(2)采用中间层材料将熔点和强度高于锡或锡基合金的两截金属材料导体端面经磨抛处理平整后通过钎焊连接方式组装成各横截面等尺寸夹层结构试件；(3)将所述夹层结构试件装夹在可控温加热炉腔室内；(4)将可控温加热炉炉温升至低于中间层材料熔点1～5℃后，对试件通以峰值电流密度不低于1.0×104A/cm2的电流后使夹层结构试件快速断裂，试件中间层部位断裂区域处的锡被氧化成二氧化锡。为进一步实现本专利技术目的，优选地，所述纯锡为工业纯锡，所述锡基合金包括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中任意一种或多种。优选地，所述金属材料包括钛、锰、钴、镍、铜、锌、铌、钯、银、锑、铂、金及其合金。优选地，所述夹层结构试件为圆形、方形或矩形。优选地，制备的二氧化锡呈树枝状、松针状、珊瑚状、针叶状、风滚草状、草丛状、海胆状、绒毛状和棉絮状多种形态。优选地，所述步骤(3)夹层结构试件在可控温加热炉腔室内装夹时将绝缘板贴附在夹具上进行良好的电气绝缘。优选地，步骤(4)中所通电流为直流电流或交流电流。本专利技术中利用电-热耦合场加载制备二氧化锡的方法，解决了现有技术路线中采用单一方法难以实现一次制备多种形态二氧化锡、合成路线复杂、制备条件苛刻、成本较高等问题。相对于气相合成法及普通的液相和固相合成法而言，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术一次可制备出不同形态的二氧化锡；2、本专利技术所需制备温度较低；3、本专利技术对制备条件(尤其是气氛)没有特别要求，可在大气条件下实现二氧化锡的制备；4、本专利技术制备条件易得，制备过程简单，且耗能低、成本低、无环境污染。附图说明图1为实施例1所得树枝状二氧化锡的扫描电镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)图。图2为实施例1所得松针状二氧化锡的扫描电镜图。图3为实施例1所得珊瑚状二氧化锡的扫描电镜图。图4为实施例1所得针叶状二氧化锡的扫描电镜图。图5为实施例1所得风滚草状二氧化锡的扫描电镜图。图6为实施例1所得草丛状二氧化锡的扫描电镜图。图7为实施例1所得海胆状二氧化锡的扫描电镜图。图8为实施例1所得绒毛状二氧化锡的扫描电镜图。图9为实施例1所得棉絮状二氧化锡的扫描电镜图。图10为实施例1所得二氧化锡的能谱(EnergyDispersiveSpectrometer，EDS)图谱。图11为实施例1所得二氧化锡的拉曼(Raman)光谱图谱。具体实施方式为更好地理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1(1)利用直径为400微米的Sn-3.0Ag-0.5Cu合金球(熔化温度为217.1℃)为中间层材料，将直径为300微米的纯铜丝和纯镍丝端面经磨抛处理平整后，放置在表面带有V形槽的铝制夹具上，纯铜丝和纯镍丝已磨抛平整的端面相对放置并间隔200微米，在此200微米间隙内放入被压扁的中间层材料Sn-3.0Ag-0.5Cu合金球，再将带有V形槽的铝制夹具放置在BGA(BallGridArray，球栅阵列)返修台上，通过BGA返修台加热，实现纯铜丝、纯镍丝与中间层材料间的钎焊连接，即制备成各横截面等尺寸的“铜丝/Sn-3.0Ag-0.5Cu合金/镍丝”结构(即“三明治”结构)试件。中间层材料自身即为钎料，当其与熔点和强度均较高的金属材料导体一起加热时，中间层材料因熔点低于金属材料导体而先发生熔化，此时在中间层材料与金属材料导体间发生冶金反应即钎焊。(2)打开动态力学分析仪(DynamicMe本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用电‑热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)选取纯锡或锡基合金为中间层材料；(2)采用中间层材料将熔点和强度高于锡或锡基合金的两截金属材料导体端面经磨抛处理平整后通过钎焊连接方式组装成各横截面等尺寸夹层结构试件；(3)将所述夹层结构试件装夹在可控温加热炉腔室内；(4)将可控温加热炉炉温升至低于中间层材料熔点1～5℃后，对试件通以峰值电流密度不低于1.0×104A/cm2的电流后使夹层结构试件快速断裂，试件中间层部位断裂区域处的锡被氧化成多种形态的二氧化锡。

【技术特征摘要】
1.采用电-热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)选取纯锡或锡基合金为中间层材料；(2)采用中间层材料将熔点和强度高于锡或锡基合金的两截金属材料导体端面经磨抛处理平整后通过钎焊连接方式组装成各横截面等尺寸夹层结构试件；(3)将所述夹层结构试件装夹在可控温加热炉腔室内；(4)将可控温加热炉炉温升至低于中间层材料熔点1～5℃后，对试件通以峰值电流密度不低于1.0×104A/cm2的电流后使夹层结构试件快速断裂，试件中间层部位断裂区域处的锡被氧化成多种形态的二氧化锡。2.根据权利要求1所述的采用电-热耦合场加载制备多形态微纳米二氧化锡的方法，其特征在于，所述纯锡为工业纯锡，所述锡基合金包括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....

【专利技术属性】
技术研发人员：张新平，李望云，周敏波，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44