氮化硼和氮化碳纳米材料的合成与表征

摘要

立方氮化硼具有高稳定性、高热导率、高硬度以及宽带隙等一系列优异的性能，使得它在高温大功率半导体器件研制、短波长和紫外光电子器件制备、热沉材料、切削和磨削材料、耐高温耐磨防护涂层、高通透高稳定性窗口研制等方面具有广阔的应用前景。 氮化碳(β-C<,3>N<,4>)则是理论预言的、迄今为止自然界中尚未发现的新型材料。理论计算表明，β-C<,3>N<,4>的硬度与金刚石相近，而且具有高绝缘、高导热、巨能隙、低摩擦系数和耐磨等特点。诸如此类的优点使β-C<,3>N<,4>在抗摩擦、光、电和热的材料领域中有重要的应用价值。 考虑到现有的合成立方氮化硼和氮化碳的方法存在各种不足，特别是我们近年来发展的水热合成方法还很不完善，本文在本课题组前期工作基础上，进行了一些更加深入、细致的研究工作，取得了系列研究成果： 一、进一步优化了合成立方氮化硼的实验参数： 1．选相原位合成方法的优化 (1)在利用选相原位合成方法制备氮化硼过程中，我们分别以1.5℃/min和0.5℃/min的速率把反应釜加热到设定的反应温度，发现当升温速率为0.5℃/min时，样品中立方氮化硼的含量较高、结晶性较好。(2)通过改变搅拌速率发现，适当提高搅拌速度，有利于提高反应体系的均匀性，有利于立方氮化硼的生成。(3)为控制氮化硼的反应过程，我们将合成氮化硼所用的氮源分为两个部分，其中一部分在反应开始时即与硼源混合反应，另一部分(二次氮源)在高温时再引入反应体系中。通过改变加入二次氮源时的温度，我们发现：当该温度较高(例如300℃)时，样品中立方氮化硼的含量随之提高。 2．苯热条件下立方氮化硼含量及结晶质量的调控 利用苯热合成方法制备氮化硼时，我们发现反应温度在180-240℃范围内变化时，立方氮化硼的含量、样品的结晶质量以及微观形貌没有发生明显变化。另一方面，如果采用混合氮源(Li<,3>N和NaNH<,2>)，则不仅有利于提高立方氮化硼的含量，而且可以改善其结晶质量。为了解释这个现象，我们提出了一个初步的势垒模型，分析了混合氮源条件下氮化硼的形成机理。 3．氮化硼纳米颗粒的物相稳定性研究 已有的研究结果表明：当氮化硼颗粒的粒度减小到纳米量级时，它的活性显著提高，发生物相转变所需要的温度和压力随之降低。尽管如此，以六方氮化硼纳米粉为原料制备立方氮化硼时，仍需要使用很高的温度和压力。为了克服这个困难，我们将纳米氮化硼的物相转变过程移到液态环境中，就是将苯加入到纳米氮化硼苯中，在280℃和80-120MPa压力下就可以将纳米BN转变为cBN和wBN。而且，随着热压温度、压力和时间的增加，样品中立方氮化硼的含量有明显提高。 二、利用苯热合成方法初步进行了合成氮化碳的尝试 本文使用叠氮钠(NaN3)和三氯代嗪(C<,3>N<,3>Cl<,3>)为原料，用苯热合成方法制备了氮化碳样品，结果表明：氮化碳样品中主要物相为石墨型氮化碳(g-C<,3>N<,4>)。另外，还发现，在反应体系中添加锌粉可以明显改变产物的形貌：在不添加Zn粉情况下，样品中由大量不规则的碎片组成，而添加Zn粉后则在样品中出现了大量纳米纤维。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第一节纳米材料的特性及四大物理效应

第二节纳米材料的应用及制备

第三节氮化硼、氮化碳纳米材料研究现状

3.1立方氮化硼的结构和性质

3.2立方氮化硼的研究现状

3.3氮化碳的结构和性质

3.4氮化碳的研究现状

3.5展望

第四节本文主要内容及创新点

4.1软化学方法合成氮化硼纳米晶的条件优化

4.2利用苯热合成方法制备氮化碳的初步探索

第五节主要测试方法及仪器设备

参考文献

第二章水热合成立方氮化硼的影响因素

第一节二次氮源引入温度的影响

1.1实验部分

2.2结果与讨论

第二节反应体系升降温速率对氮化硼物相的影响

2.1实验部分

2.2结果与讨论

第三节反应体系均匀性对氮化硼物相的影响

3.1实验部分

3.2结果与讨论

第四节关于氮化硼生成过程的讨论

4.1二次氮源引入温度的影响

4.2反应速率的影响

4.3反应体系均匀性的影响

第五节本章小结

参考文献

第三章苯热合成氮化硼的物相及形貌研究

第一节反应温度对氮化硼形貌的影响

1.1实验部分

1.2结果和讨论

第二节氮源种类对氮化硼形貌的影响

2.1实验部分

2.2结果与讨论

第三节机理研究

第四节本章小结

参考文献

第四章纳米BN的物相稳定性研究

第一节原料的制备和实验方法

1.1实验部分

1.2纳米BN原料的表征

第二节温度对相变的影响

第三节压力的影响

第四节热压时间的影响

第五节本章小结

参考文献

第五章利用苯热合成方法制备氮化碳

第一节反应温度对氮化碳样品性质的影响

1.1反应原料和试剂

1.2实验部分

1.3结果与讨论

第二节压力对氮化碳样品性质的影响

2.1反应原料和试剂

2.2实验部分

2.3结果与讨论

第三节氮化碳纳米纤维的制备

3.1反应原料和试剂

3.2实验部分

3.3结果和讨论

第四节本章小结

参考文献

第六章本文主要结论与工作展望

第一节氮化硼纳米晶的合成及相变性质研究

1.1水热合成立方氮化硼微晶

1.2苯热条件下合成氮化硼及其形貌研究

1.3纳米BN的物相转变性质

第二节氮化碳的合成方法研究

攻读博士学位期间发表的论文

致谢