Cu-B合金中硼的生长机制研究

摘要

硼是元素周期表中第三主族的元素，处于金属与绝缘体的交界处，有三个价电子，具有准金属的特性。硼的导电率随温度升高而增加，使其在电子传输方面具有广阔的应用前景。此外，硼还具有高熔点(～2200℃)、低密度(2.340g/cm3)、高硬度(Knoop:2160-2900)、高热值以及高的杨氏模量(380-400GPa)等优点，常被作为高温增强相、金属材料强韧相。基于此，本文选取铜熔体为硼的生长溶剂，对硼的同素异形体及硼纳米结构进行了研究。通过成分调控，选取亚共晶（Cu-2wt.％B）和过共晶（Cu-5wt.％B）Cu-B合金为主要研究对象。采用不同的制备工艺、冷却速度以及热处理工艺，研究了不同硼同素异形体在铜熔体中的形貌、生长机制及其稳定性问题。同时，对于多种硼纳米结构的形成、生长以及转变机制进行了研究。
　　本文主要研究工作如下:
　　(1)常温常压下，铜熔体中α-B和β-B生长机制及其稳定性的研究
　　以铜替代传统的铂作为溶剂，在铜熔体中可以形成菱方α-B和β-B。其中，菱方α-B以珊瑚状共晶的形式存在，是一种亚稳相，平均尺寸在2-3μm左右;菱方β-B以块体初晶的形式存在，是一种稳定相，平均尺寸可以达到30μm以上。珊瑚状共晶α-B的形成需要3个特定的条件。形成成分过冷区和适宜的温度梯度是前提条件;铜硼合金较低的共晶点温度(1013℃)和铜熔体提供的有限生长空间是特殊条件。块体初晶β-B在非平衡结晶条件下，呈现出四种典型的形貌，分别为:星形、六面体形、四面体形和尖角四面体形。其中，循环孪晶生长机制是星形β-B形成的原因，其它形貌的β-B则是层生长、台阶生长和孪晶生长等多种生长机制共同作用的结果。
　　(2)硼纳米球的制备、形成及其生长演变机制研究
　　以Cu-2B合金为研究对象，通过调控冷速及制备工艺能够得到硼纳米球。硼纳米球的形成会经过团簇聚集、孪晶生长和层状生长三个阶段。其中，在硼纳米球不断长大的过程中会出现由球状向花状的演变，这种演变满足Mullin-Sekerka不稳定理论。第一性原理计算表明，硼浓度以及硼网络结构的曲率变化会使依附于硼纳米颗粒的层片状结构难以形成闭合的曲面，从而形成花状形貌的硼纳米颗粒。
　　(3)二维硼纳米片的制备及其化学环境的研究
　　以β-B粉末为原料，通过研磨的方法可以制备出二维硼纳米片。硼纳米片的厚度不一，直径在40nm左右。通过XPS对硼的成键及化学环境进行分析，发现硼颗粒中存在极少量的B2O3键，绝大多数为B-B键;研磨后的硼纳米片中，除了存在极少数B2O3键外，部分B-B键转变为未完全氧化的B6O键，并未发生完全氧化，说明硼具有一定的抗氧化性。

目录

声明

摘要

本文的创新点与主要贡献

1．1 引言

1．2 硼及硼的性质

1．2．1 硼的存在形式

1．2．2 硼的晶体结构及电子结构

1．2．3 硼的物理性质和化学性质

1．3 硼的主要制备方法

1．3．1 化学气相沉积法

1．3．2 激光烧蚀及磁控溅射法

1．3．3 熔体法

1．4 Cu-B合金

1．4．2 Cu-B合金中硼的存在形式

1．4．3 铜熔体中硼生长的影响因素

1．5 硼的发展前景及应用

1．5．1 半导体材料

1．5．2 中子吸收材料

1．6 本文研究内容及意义

第二章 试验材料与研究方法

2．1 引言

2．2 研究思路与技术路线

2．3 试验材料与试验过程

2．3．1 试验原料及辅助设备

2．3．2 试验用合金的制备

2．4 样品的制备

2．4．1 萃取处理

2．4．2 研磨处理

2．5 样品的分析表征

2．5．1 扫描电镜观察

2．5．2 金相组织观察

2．5．3 透射电镜观察

2．5．4 X射线衍射分析

2．5．5 拉曼光谱分析

2．5．6 X射线光电子能谱分析

2．5．7 基质辅助飞行时间质谱分析

2．6 计算机模拟

第三章 常温常压下，铜熔体中α-B和β-B的形成机制及稳定性

3．1 引言

3．2 铜硼合金体系的液态结构分析

3．3 铜硼合金中硼的成分分析及晶体结构的确定

3．4 铜熔体中硼的形成及生长机制

3．4．2 铜熔体中β-B的生长机制

3．5 硼的生长模型及其稳定性

3．6 本章小结

第四章 铜熔体中硼纳米结构的制备及其形成机制

4．2．1 硼纳米球的制备

4．2．2 硼纳米球的生长机制

4．3 硼纳米颗粒由球状到花状的生长演变机制

4．3．1 第一性原理计算

4．3．2 硼纳米颗粒的失稳转变模型

4．4 硼纳米片的制备

4．4．1 硼纳米片的形成

4．4．2 硼纳米片的化合价及化学环境分析

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录