熔盐介质中氮化硼粉体的制备研究

发布时间：2020-05-17 09:03

【摘要】：氮化硼(BN)是一种具有高熔点、绝缘性以及与熔融金属不润湿等优异性能的非氧化物陶瓷粉体,在制备可加工陶瓷、耐火材料、润滑剂、光电子器件等方面有着巨大的应用前景。针对目前制备BN粉体的方法存在反应温度高、原料毒性大等缺陷,本文拟采用金属热还原法结合熔盐法合成BN粉体。系统研究金属还原剂种类、硼源种类、熔盐种类、反应温度、熔盐用量和反应物配比对合成BN粉体的影响;采用XRD、SEM、TEM、FTIR、XPS等对所合成粉体进行表征,对熔盐中生成不同形貌、晶型的BN的机理进行分析。主要研究内容如下:(1)以硼砂为硼源、金属镁粉为还原剂、氯化镁为熔盐介质,在800-1300°C反应3h合成出六方相氮化硼(h-BN)粉体。控制氯化镁的用量为反应物总质量的200-400wt%时,在1200°C可以制备出直径为200-600nm,厚度为10-30nm的h-BN纳米片,大部分BN纳米片由2-3层的单层h-BN叠加而成。反应温度为1300°C,盐量为反应物总质量的100-200wt%时,生成叠层状h-BN颗粒。(2)以硼砂为硼源、金属镁粉为还原剂、氯化钾为熔盐介质,在1000°C反应3h合成出团聚的三方相氮化硼(r-BN)和涡流层状氮化硼(t-BN)的复合粉体;反应温度为1200°C时生成片状的r-BN和h-BN的复合粉体,但产物中含有杂质MgNB9。以硼砂为硼源、金属镁粉为还原剂、氯化钠为熔盐介质,在800-1000°C反应3h合成出由片状的r-BN晶粒和褶皱薄膜状的t-BN组成的团聚粉体。在氯化钠熔盐中,反应温度为1200°C,金属镁与硼砂的摩尔比为5-6:1时生成无团聚现象的复合粉体;在金属镁与硼砂的摩尔比为7-8:1时颗粒互相粘连、团聚严重。(3)以硼砂为硼源、金属镁粉为还原剂、氯化钠为熔盐介质,在800-1200°C反应3h有r-BN生成;保持其他条件不变,以氧化硼为硼源时,产物中仅有h-BN生成,表明r-BN的生成与硼源有关。使用热力学软件模拟了在氯化钠熔盐中硼砂和金属镁粉在1000°C时的物相变化,发现反应过程中会生成金属钠。设计对照试验,将研究内容(1)中合成的t-BN与金属钠在800-1200°C保温3h,产物中有r-BN相产生。结果表明金属钠对r-BN的生成起到了促进作用。(4)以硼砂为硼源、金属镁粉为还原剂、NaCl-MgCl_2与KCl-MgCl_2为熔盐介质合成氮化硼时,在1000°C时生成片状t-BN。说明复合盐的低粘度特性可以促进片状BN的低温生成。
【图文】：

氮化硼,晶型,结构示意图,石墨

武汉科技大学硕士学位论文结构。表 1.2 列出了部分 h-BN 和石墨详细的数据石墨接近。层状 BN(r-BN 和 h-BN)层内的强 SP2结起，这使 h-BN 具有与石墨类似的高导热性和润滑优异的高温稳定性及抗氧化性能，在处于氧化氛围900°C，比石墨高200°C[6]。由于N原子比B原子具有成键，导致 B-N 键具有一定的离子键特性，这个与别造就了 BN 独特的电学特性。h-BN 在光学、电子的性质：例如 h-BN 是白色的、带隙宽、具有优异备的 BN 粉末广泛用于绝缘、导热、润滑、透波等益于其独特的物理性能在深紫外光源、防护涂料应用前景。

中空微球,气相沉积

但是国内这方面的研究较少，且尚存氮化硼前驱体可纺性较差，纺丝温度区间较窄的问题[33]。1.2.3 气相沉积目前的制备高纯 BN 粉体的方法大多数属于气相沉积技术，包括传统的化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积、等离子气相沉积、激光辅助气相沉积、溅射、金属辅助气相沉积等[34]。这些方法的基本原理相似，，都是利用包含 B 元素或 N 元素的挥发性物质沉积到一个基片上，通过改变反应条件以及基片种类生成各种形态的BN 例如 BN 薄膜、BN 粉体、BN 纳米管、BN 纳米线、BN 中空笼等[35-38]。现在采用的低沸点含硼物质有 BF3、BCl3、BBr3等含硼的卤化物以及硼氢化合物 B2H6或者硼酸脂类化合物 B(OCH3)3等，载流气体一般为惰性气体或者氢气，含氮物质一般采用 NH3或 N2。Wood G L[39]等使用(MeO)3B 结合化学气相沉积与热解法在 1100°C 氨气气氛下，合成了粒径在 50-400nm 的球形氮化硼颗粒。陈坤等[40]使用硼酸乙酯为硼源，氨气为氮源，在 1000°C 的氨气气氛中生成的 h-BN 纳米微球粒径在 80-120nm 之间。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ128;TB383.3

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