synthesis of sic nanofibers from selected plants in ...herp-nru.psru.ac.th/file/u55010_12.pdf ·...

Synthesis of SiC nanofibers from Selected

Plants in Phatthalung Province ชลธิรา แสงสุบัน1* และ พิศิษฐ์ สิงห์ใจ2

1สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยทักษิณ วิทยาเขตพัทลุง พัทลุง 93110 2ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ เชียงใหม่ 50200 * Email: csangsubun@hotmail.com

วัตถุประสงค์ของการท าวิจัย

ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นสารกึ่งตัวน าที่สามารถน าไฟฟ้าและน าความร้อนได้ดี อีกทั้งยังมีช่องว่างของแถบพลังงานกว้างเหมาะส าหรับการประยุกต์ใช้งาน ณ อุณหภูมิสูง ความถี่สูง ในสิ่งแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม (Morkoc et al.,1994 and Zhou et al., 2000) นอกจากนี้ยังพบว่า ซิลิกอนคาร์ไบด์ที่อยู่ในรูปของแท่งนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์มีสมบัติความยืดหยุ่น และมีความแข็งแรงค่อนข้างสูงกว่าซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีขนาดใหญ่ สามารถน าไปใช้เป็นวัสดุเสริมก าลังผิวหน้าในเซรามิก โลหะ และใช้เป็นวัสดุประกอบที่น ามาเสริมก าลังในสารโพลิเมอร์ได้

นอกจากนี้ได้มีการสังเคราะห์ซิลิคอนคาร์ไบด์โดยวิธีต่างๆ อาทิเช่น Han et al.,1997 ได้ท าการสังเคราะห์แท่งนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์โดยการผสมผง Si-SiO2 และท่อนาโนคาร์บอนภายในท่ออะลูมิเนียม ภายใต้บรรยากาศของก๊าซเฉื่อย ที่อุณหภูม ิ1,400 องศาเซลเซียส Singjai et al., 2002 ได้ท าการสังเคราะห์เส้นใยนาโนชนิดลูกปัดซึ่งประกอบด้วยท่อนาโนคาร์บอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ อะลมูินา (Alumina) ออกไซด์ และสารประกอบอื่นๆ ที่สังเคราะห์ได้จากแท่งดินสอ โดยใช้เทคนิคการให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า ภายใต้บรรยากาศของก๊าซอาร์กอน

การวิจัยนี้มุ่งเน้นศึกษาการสังเคราะห์เส้นใยนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์จาก ถ่านแกลบ กะลามะพร้าว มะม่วง ผสมผงแกรไฟต์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ โดยใช้เทคนิคการให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าภายใต้บรรยากาศของก๊าซอาร์กอนเนื่องจากเป็นวิธีที่ใช้ต้นทุนในการผลิตค่อนข้างต่ า และวิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุและองค์ประกอบโครงสร้างจุลภาคของสารที่เตรียมได้โดยใช้เทคนิคการกระจายพลังงานของรังสีเอ็กซ์ (Energy dispersive analysis of x-rays, EDX) และ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscope, SEM)

กระบวนการเตรียมแท่งสาร

แกลบ กะลามะพร้าว มะม่วง อบ ถ่าน

สารต้ังต้น (ถ่าน+แกรไฟต+์Al2O3 )

เผา

กระบวนการสังเคราะห์เส้นใยโดยใช้เทคนิคการใหค้วามร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า

9-10 วัตต์ 40-100 วัตต์ 220-537 วัตต์

ผลิตภัณฑ ์

อัดเม็ด

แท่งสาร ยาว 2 ซ.ม. ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.66 ซ.ม.

ผลการด าเนินงานวิจัยและอภิปรายผล ผลการทดลองเมื่อน าแกลบ กะลามะพร้าว มะม่วง ไปเผา ณ อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส

ภายใต้บรรยากาศของก๊าซอาร์กอน จากนั้นน าถ่านแกลบไปวิเคราะห์ด้วย SEM และ EDX ผลแสดงดังภาพที่ 1 พบว่า จากภาพที่1 (a) ภาพถ่าย SEM แสดงลักษณะของพื้นผิวของถ่านแกลบ กะลามะพร้าว และมะม่วง ซึ่งมีลักษณะผิวขรุขระและไม่เป็นระเบียบ และจากผลการวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุของถ่านทั้งสามชนิด โดยใช้เทคนิค EDX ผลแสดงดังภาพที่ 2 พบว่าในถ่านแกลบ ประกอบด้วยปริมาณของธาตุคาร์บอน ออกซิเจน ซิลิกอน และคอปเปอร์ โดยน้ าหนัก กะลามะพร้าว ประกอบด้วย ธาตุ โปรแตสเซียม แคลเซียม แมกนีเซียม คาร์บอน ซิลิกอน ออกซิเจน และ มะม่วง ประกอบด้วย ธาตุ โปรแตสเซียม แคลเซียม ฟอสฟอรสั ซิลิกอน ออกซิเจน ตามล าดับ

ภาพที่ 1 แสดงภาพถ่าย SEM ของ (a) แกลบ (b) กะลามะพร้าว และ (c) มะม่วง และ แสดงสเปกตรัม EDX ของ (d) แกลบ (e) กะลามะพร้าว และ (f) มะม่วง

ผลการวิเคราะห์ด้วยเครื่อง SEM และ EDX ของเส้นใยที่สังเคราะห์ได้จากการน าผงถ่านมาผสมกับผงแกรไฟต์ และเหล็กออกไซด์ โดยใช้อัตราส่วน 80:18:2 เปอร์เซ็นต์ โดยน้ าหนัก ด้วยเทคนิคการให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า ค่าวัตต์ในการสังเคราะห์เส้นใยอยู่ในช่วงประมาณ 320 วัตต์ และอุณหภูมิที่ใช้ในการสังเคราะห์เส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์มีค่าประมาณ 1,200 องศาเซลเซียส แสดงดังภาพที่ 2 และตารางที่ 1 พบว่า ที่อัตราส่วนผสมของถ่านแกลบ แกรไฟต์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ เส้นใยที่ได้มีลักษณะโค้งงอ และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 180 นาโนเมตร และเส้นใยที่สังเคราะห์ได้ประกอบด้วยธาตุ ออกซิเจน คาร์บอน ซิลิกอน และอะลูมิเนียม ที่อัตราส่วนผสมของถ่านกะลามะพร้าว แกรไฟต์ และ อะลูมิเนียมออกไซด์ เส้นใยที่ได้มีลักษณะเส้นตรง และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 340 นาโนเมตร เส้นใยประกอบด้วยธาตุ ออกซิเจน คาร์บอน ซิลิกอน แคลเซียม ที่อัตราส่วนผสมของถ่านมะม่วง แกรไฟต์ และ อะลูมิเนียมออกไซด์ เส้นใยที่ได้มีลักษณะโค้งงอ ไม่เรียบ และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 450 นาโนเมตร และเส้นใยที่สังเคราะห์ได้ประกอบด้วยธาตุ ออกซิเจน คาร์บอน ซิลิกอน และแคลเซียม และฟอสฟอรัส

ภาพที่ 2 อัตราส่วนผสมต่างๆเปอร์เซ็นต์โดยน้ าหนัก ของผงผสม ถ่าน แกรไฟต์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ แสดงภาพถ่าย SEM ของ (a) แกลบ (b) กะลามะพร้าว (c) มะม่วง และ แสดงสเปกตรัม EDX ของ (d) แกลบ (e) กะลามะพร้าว (f) มะม่วง

ตารางที่ 1 ผลการวิเคราะห์สเปกตรัมโดย EDX และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของเส้นใย ที่สังเคราะห์ได้จากผงผสม ถ่าน แกรไฟต์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ ที่อัตราส่วนผสมต่างๆ

เส้นใยของสารตัวอย่าง

ถ่าน+แกรไฟต์+อะลูมิเนียมออกไซด์

(80:18:2 % โดยน้ าหนัก)

ปริมาณธาตุต่างๆ (% โดยน้ าหนัก)

C O Si Ca P Al

ขนาดเส้นผ่านศูนยก์ลาง(nm)

แกลบ 17 5 54 - - 24 180

กะลามะพร้าว 8 54 1 37 - - 340

มะม่วง 8 35 3 45 9 - 450

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก ทุน สกอ 2555 และขอขอบคุณคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยทักษิณ และมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ที่ได้ให้การสนับสนุนในการท าวิจัยนี้

ขอบเขตและวิธีการด าเนินการวิจัย

กิตติกรรมประกาศ

วิเคราะห์ผล SEM/EDX

(a)

(d) (e) (f)

(a) (b)

(d) (e) (f)

(c)

แนวทางการน าผลการด าเนินโครงการไปใช้ประโยชน์

วัสดุผสมผสานนาโน (Nanocomposite) วัสดุผสมผสานนาโนมีการผสมผสานที่เกิดขึ้นในระดับเล็กมาก ท าให้แสดงคุณสมบัติลักษณะพิเศษในระดับอะตอมออกมา เช่น เสริมความแข็งแรงของวัสดุ ขึ้นรูปได้ง่าย ยกตัวอย่างเช่น การน าเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ผสมกับอะลูมิเนียมออกไซด์

(b) (c)