碳化铪（HfC）是一种超高温陶瓷（UHTCs）的关键组成部分，具有极高的熔点（约3900°C）、显著的硬度（26.1 GPa）、高弹性模量（425 GPa）以及出色的热稳定性和化学稳定性。此外，一维（1D）HfC纳米结构不仅继承了HfC陶瓷的优异性能，还表现出1D纳米材料特有的机械特性，因此在超高温陶瓷涂层和复合材料中作为增强材料被广泛应用。然而，传统的HfC纳米材料合成方法通常依赖于化学气相反应法，使用镍（Ni）、钴（Co）和钒（V）等催化剂，通过气-液-固（VLS）机制进行合成。这些方法虽然有效，但通常需要苛刻的条件和高成本的前驱体材料。来自陕西科技大学材料科学与工程学院的李翠艳教授团队提出了一种新型的催化剂辅助热解法，使用四氯化铪（HfCl₄）作为前驱体材料，成功在碳纤维上合成了HfC纳米线（HfCₙᵥₛ）。该方法不仅简化了合成过程，还降低了成本，为大规模生产过渡金属碳化物纳米线提供了新的途径。HfC纳米线在超高温陶瓷复合材料中的应用潜力巨大，能够显著提升材料的机械性能和抗烧蚀性能，因此在航空航天、核能等极端环境下的应用前景广阔。相关研究发表在《Ceramics International》期刊的第50卷（2024年）。

研究方法

1. 前驱体溶液的制备：将HfCl₄溶解在乙醇中，加入糠醇（FA），形成透明的溶液。通过搅拌，溶液逐渐从浅绿色变为深棕色，表明FA的聚合和聚糠醇（PFA）的形成。

2. 碳纤维预处理：将碳纤维预浸在Ni(NO₃)₂和CO(NH₂)₂的溶液中，经过水热处理和氢气/氩气气氛下的热处理，形成Ni颗粒。

3. HfC纳米线的生长：将Ni涂层的碳纤维浸入PFA/Hf溶液中，经过干燥和固化处理后，在真空炉中于1500°C下进行热解，最终在碳纤维上生长出HfC纳米线。

4. 表征：通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重-差示扫描量热法（TG-DSC）对样品进行表征。

   

研究结论

1. HfC纳米线的成功合成：通过催化剂辅助热解法，成功在碳纤维上合成了长度达数十微米、直径约500纳米的HfC纳米线。

2. 生长机制：HfC纳米线的生长遵循固-液-固（SLS）机制，Ni催化剂在纳米线的根部固定，纳米线从金属液滴中生长出来。

3. 结构表征：XRD和TEM分析表明，HfC纳米线具有单晶结构，晶格常数接近块体HfC的标准值。纳米线表面覆盖有2-3纳米厚的非晶层，可能是由于轻微氧化形成的HfOC层。

4. 热解行为：TG-DSC分析揭示了前驱体在热解过程中的三个阶段：溶剂蒸发和热分解、碳-碳主链的断裂和重排、以及HfO₂的碳热还原。

   

对行业的发展意义

1. 成本效益：本研究提出的催化剂辅助热解法使用低成本的前驱体材料，简化了合成过程，降低了生产成本，为大规模生产过渡金属碳化物纳米线提供了可行的途径。

2. 材料性能提升：HfC纳米线在超高温陶瓷复合材料中的应用能够显著提升材料的机械性能和抗烧蚀性能，适用于航空航天、核能等极端环境下的应用。

3. 技术创新：该研究为过渡金属碳化物纳米材料的合成提供了新的思路，推动了纳米材料合成技术的发展，具有广泛的应用前景。

总之，本研究通过创新的催化剂辅助热解法，成功合成了HfC纳米线，不仅降低了生产成本，还为超高温陶瓷复合材料的性能提升提供了新的解决方案，具有重要的科学意义和工业应用价值。