氮化硼和氮化钒纳米材料的制备与表征

摘要

氮化硼是一种重要的无机非金属材料,因其优越的物理性质和化学性质而成为近年来材料科学领域的重点研究方向。根据氮化硼中B-N键的杂化方式的不同,氮化硼主要形成了四种结晶良好的氮化硼结构,六方相氮化硼、三方相氮化硼、立方相氮化硼、纤锌矿结构氮化硼。氮化硼具有优越的热力学、化学及机械性能,另外还具有宽带隙、抗氧化、耐化学腐蚀、与多种金属不浸润等性质,使其成为制备高频、高温、大功率器件的优秀材料,被广泛用于机械、冶金、电子、航空航天等高科技领域,尤其是在光电子及抗辐射方面具有广大的应用前景。因此对于氮化硼的制备、结构的测量、电化学性能的测试等都引起了材料科学领域的广泛关注。
　　 氮化钒具有非常高的热、化学稳定性以及机械性能,已经广泛用于磨具、切削工具和结构材料;同时氮化钒也是一种非常好的催化剂,具有高选择性、高催化活性和稳定性以及抗中毒性能。细粒度的VN能有效提高催化活性,改善结构材料的韧性。此外,VN具有的高熔点和低电阻的特性,使其还可以应用于微电子领域。
　　 在对氮化硼、氮化钒纳米材料的合成、应用等方面的发展状况进行了调查和研究的基础上,本论文旨在探讨高压釜中合成氮化硼、氮化钒等纳米材料的制备方法。通过对所制备材料物相、形貌、性质的鉴定和表征,主要内容总结如下:
　　 1.发展了一种一步固态法合成r-BN三角片或h-BN六角片的方法。首先,通过B2O3、NH4F和金属Na在500℃下反应30小时,成功制备了三方相氮化硼三角片,标为样品1(Sample1)。X-射线粉末衍射(XRD)显示制得的样品是三方相氮化硼,其晶格常数为:a=2.503(A)和c=9.992(A),这与三方相氮化硼标准数据基本一致(JCPDS card no.45-1171:a=2.504(A)and c=10.000(A))。场发射扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)照片显示:样品1的主要形貌是三角片(直径大约分布在100～200 nm,,平均厚度约为20 nm)。高分辨透射电子显微镜揭示了样品1的高度结晶性,图中清晰显示的两个相邻条纹之间的平均距离为0.20 nm,这和三方相氮化硼(JCPDS card n0.45-1171)的(012)晶面的品格间距非常接近,与XRD的分析结果也相吻合。我们发现反应的温度对于产品的物相和形貌起着重要的作用,当温度提高到700℃而其它参数保持不变时,制得的样品标为样品2(Sample2),XRD图谱表示所得样品为六方相氮化硼,其晶格常数为a=2.501(A)和c=6.627(A)接近于标准粉末衍射数据卡片(JCPDS card no.34-0421)。场发射扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)照片表明样品2由大量边长分布在300到500纳米之间,厚度大约是100纳米的六角片组成。高分辨透射电子显微镜表明相邻晶格条纹间距为2.1(A),与(100)面间距相近。
　　 2.发展了一种温和条件下制备氮化钒纳米材料的方法。我们选择金属Mg为还原剂,NH4VO3和N2H4·2HCl作为反应物,在500℃下反应12小时,成功制备了氮化钒纳米材料。X-射线粉末衍射(XRD)显示制得的样品是面心立方氮化钒,其晶格常数为:a=4.139(A),这与面心立方氮化钒标准数据基本一致(JCPDS card no.35-0768)。透射电子显微镜照片显示样品为纳米块,尺寸在200-500nm,高分辨电镜图片表明两相邻条纹之间的间距为0.21nm,与面心立方氮化钒的(200)面间距相一致。最后研究了反应物用量、反应温度等不同的合成条件对产物的影响。