天然植物纤维构筑一维碳化硼纳米材料：结构优化及纳米力学性能研究

纳米尺度材料的结构控制以及力学性能测量是目前发展纳米科技的重大挑战之一，是开发纳米复合材料以及纳米器件的基本材料准则。碳化硼纳米线是一种重要的一维纳米材料，在复合材料增强及纳米器件等领域具有良好的应用前景。本项目首次将遗态合成概念应用于碳化硼纳米线的合成，拟选用天然植物材料同时作为模板及碳源，合成一类新型碳化硼纳米线；从研究碳遗传机制和硼输运机制入手，分析其微结构及生长机理，通过控制合成工艺揭示其生长规律，以实现纳米线的结构优化；将三点弯曲、纵向弯曲、纳米压痕等方法与微结构分析相结合，研究单根纳米线在外力作用下的力学响应和服役行为，揭示尺寸效应、表面效应及结构缺陷等因素对力学性能的影响，阐明形变、断裂及失效机理，建立相应的理论模型。本项目的研究将为探索纳米材料合成新方法、开发低维新材料、设计纳米复合材料及器件、完善和发展微纳米力学理论提供重要的实验基础与理论依据。

碳化物纳米材料具有优异的物理化学性质，例如高化学稳定性、高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀性等，在高温涂层、切割工具、超导、发光、场发射、复合材料增韧等方面都有良好的应用前景，是目前新材料领域的研究热点之一。目前碳化物纳米材料合成方法主要包括化学气相沉积法、等离子体烧结煅烧、溶剂热、溶胶凝胶、微波煅烧、自蔓延燃烧法等。这些合成方法多采用人工合成材料纳米碳管或含碳有机物为碳源，且需要先合成纳米金属催化剂后进行材料生长，存在工艺繁琐、设备复杂、成本较高等不足之处。更重要的是，碳化物纳米材料详细生长机理尚不明确，基本物性参数尚不完善，在很大程度上制约了碳化物纳米材料的规模化生产及应用。针对以上问题，本项目选用天然植物材料为模板及碳源，合成系列新型碳化物纳米材料；分析材料微结构演变，揭示其生长规律并建立相应生长模型。利用原位AFM，原位TEM技术，结合三点弯曲、纵向弯曲方法，研究单体纳米材料在外力作用下的力学响应和服役行为，得到了基本物性参数。另外，研究发现此类生物模板方法可进一步拓展至碳/碳化物、碳/氧化物、碳/硫、碳/磷酸盐、碳/金属等系列复合材料体系中，基于生物模板的多级多孔、高比表面积、富碳、低成本等优势，碳复合材料展现出良好的电化学储能性能及应用前景。本项目共发表SCI收录论文23篇，申请国家发明专利6项，其中获授权3项。