大单晶立方氮化硼的高温高压制备与表征
发布时间：2021-10-27 15:46
立方氮化硼（cBN）是一种硬度仅次于金刚石的超硬材料,具备多种优异的性能。作为重要的超硬半导体材料,cBN的单晶制备技术远远落后于金刚石,严重地阻碍了它在精密加工、第三代半导体、以及光谱器件上的应用和发展。为此,发展立方氮化硼大单晶制备技术迫在眉睫,也是我国超硬刀具技术实现突破的重要契机。因此,本项目拟发展立方氮化硼单晶的高温高压合成技术,突破现有技术与原理的瓶颈,发展cBN单晶高压合成方法与工艺,以制备出高品级大尺寸的cBN单晶体,为发展第三代半导体、光学器件和量子芯片等提供重要的材料载体。同时,就掺硼金刚石加热器的制备做了相应的研究,以期制备出超高温的掺硼金刚石加热器,以突破Kawai型（6-8式二级加压）高温高压装置的温度极限,为原位X射线观察提供便利,也为高压下材料的合成和研究提供实验设备支持。本文依托于国产DS6×10 MN铰链式六面顶压机,以hBN粉末作为主要原料,选取Mg3N2作为触媒材料,进行一系列合成cBN单晶的方法和工艺研究。主要研究内容为:cBN单晶的制备与提纯;研究不同合成工艺参数对cBN晶体合成效果的影响以及采用新型...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
cBN晶体结构示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-图1-2cBN单晶多面体示意图[12]1.3.2立方氮化硼的性能与应用立方氮化硼（cBN）单晶的硬度仅次于金刚石；与金刚石相比具有好的热稳定性和化学稳定性；除此之外，cBN晶体还具有优良的抗氧化性能和导热性能等，因此其常被用为磨具和刀具材料，是切削加工、钻探、磨削、铣削的利器。金刚石磨具在高温下加工含铁或镍元素的材料时容易产生石墨化而失效，而cBN在高温下较金刚石能够保持足够高的力学性能，且具有优异的高温红硬性和抗氧化能力，在1100~1300℃下与铁族元素不发生化学反应，因此cBN作为磨具材料可以在苛刻的工作条件下磨削黑色金属时可以表现出特殊的优越性，大大提高工件的磨削质量和加工效率，与金刚石相比cBN的金属磨削率要高出10倍[19]。作为刀具材料使用，cBN单晶硬度为60GPa左右，是物质世界里超硬的材料之一，仅次于金刚石（约为100GPa），且其热稳定性高达1250oC以上，对含铁合金化学惰性大，抗黏结能力强，开刃简单（用金刚石砂轮可磨削开刃），故适用于加工洛氏硬度为35HRC以上的硬质合金材料，包括各种淬硬钢（如碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等）、冷硬铸铁、钴基和镍基高温合金等高硬及耐磨材料，此外也可以用于加工钛合金、纯钨和纯镍等材料，图1-3为立方氮化硼（cBN）和金刚石刀具的主要加工范围示意图。大尺寸的cBN单晶可以做成单晶刀具，cBN单晶刀具内部无晶界，刀具刃口理论上可以达到原子尺寸级别的平直度和锋利度。因此，刀具的超光洁表面和无缺陷切削刃口可使加工对象的表面粗糙度达到原子级，从而来获得镜面加工效果。因此，cBN单晶刀具可广泛应用于精密或超精密机械加工领域，如原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-用作高速磨削材料，其寿命长，磨削效率高，可大大提升加工效率，降低加工成本。综上，cBN必将大大促进工业切削和磨削技术的发展[20]。图1-3立方氮化硼（cBN）和金刚石刀具的主要加工范围cBN与金刚石、SiC和GaN一起被称为新型第三代半导体材料[21]，cBN和金刚石与另外两种材料相比有着更为优异的性质，他们的带隙更宽，介电常数较低，击穿电场更高以及热导率更好[22]。与金刚石不同的是，作为半导体材料，cBN容易实现n型和p型掺杂，它可以通过掺杂C、S、Si等得到n型半导体；通过掺杂Be得到p型半导体[23]。综上，新型第三代半导体材料中性能最为优异的为cBN，其不仅可用于制备极端条件下工作的电子器件，还被广泛应用于深紫外发光和探测器方面[24]。在光学应用方面，cBN可以作为一些光学元件的保护层，因为其在紫外到远红外整个波段具有优良的透过率；结合其良好的抗热冲击性能和硬度，cBN有望成为大功率激光器和探测器的理想窗口材料。单晶cBN做成的窗口可用于快速傅立叶变换红外光谱分析，其耐酸、耐碱和耐溶剂，可扩大分析样品的种类，还可应用于高压设备的窗口，在百万大气压的范围内用于各种光谱的原位测量。在量子芯片应用方面，随着量子计算的兴起，信息世界将迎来一场翻天覆地的革命，金刚石和立方氮化硼的色心将是量子计算的重要载体，即“量子芯片”的关键材料。立方氮化硼也可以形成类似金刚石的色心，但由于制备cBN单晶较为困难，关于它的色心研究还停留在理论计算阶段，计算研究表明，它的色心是由一个O原子替一个N原子，并与相邻B原子空位可形成稳定的结构，即ON-VB色心（图1-4）。由于cBN具有更大的带隙（6.4eV）[22]，漏电电流会更低，信噪比更高，因此，即使其在低功率下进行量子运算操作，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Analysis of Transition Mechanism of Cubic Boron Nitride Single Crystals under High Pressure-High Temperature with Valence Electron Structure Calculation[J]. 吕美哲,许斌,蔡立超,贾凤,袁兴栋. Chinese Physics Letters. 2019(01)
[2]国内外立方氮化硼进展[J]. 张相法,位星. 超硬材料工程. 2016(03)
[3]立方氮化硼的结构和基本性质[J]. 邢淑芝,郭明,侯丽新,谷开慧. 现代交际. 2014(12)
[4]立方氮化硼的性能和应用[J]. 李重阳. 科技视界. 2014(15)
[5]第一主族元素（Li,Na,K）和第二主族元素（Be,Mg,Ca）掺杂二维六方氮化硼单层的第一性原理计算研究[J]. 刘越颖,周铁戈,路远,左旭. 物理学报. 2012(23)
[6]《新材料产业“十二五”发展规划》解读[J]. 化工管理. 2012(08)
[7]立方氮化硼材料的制备、性能及应用[J]. 张旺玺,卢金斌. 中原工学院学报. 2011(02)
[8]锂基触媒体系中不同形状立方氮化硼晶体的高压合成[J]. 杨大鹏,吉晓瑞,李英爱,张铁臣. 高压物理学报. 2010(03)
[9]立方氮化硼的高压合成研究[J]. 伍红儒,寇自力,李拥军,张剑,张永芳. 工具技术. 2009(05)
[10]立方氮化硼晶体生长与三大基材的关系[J]. 王光祖,张相法,张奎. 超硬材料工程. 2009(02)
硕士论文
[1]优质立方氮化硼单晶的静态高温高压合成工艺研究[D]. 温振兴.山东建筑大学 2014
[2]Al对Li基触媒合成cBN影响的研究[D]. 郭玮.吉林大学 2008
本文编号：3461908
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
cBN晶体结构示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-图1-2cBN单晶多面体示意图[12]1.3.2立方氮化硼的性能与应用立方氮化硼（cBN）单晶的硬度仅次于金刚石；与金刚石相比具有好的热稳定性和化学稳定性；除此之外，cBN晶体还具有优良的抗氧化性能和导热性能等，因此其常被用为磨具和刀具材料，是切削加工、钻探、磨削、铣削的利器。金刚石磨具在高温下加工含铁或镍元素的材料时容易产生石墨化而失效，而cBN在高温下较金刚石能够保持足够高的力学性能，且具有优异的高温红硬性和抗氧化能力，在1100~1300℃下与铁族元素不发生化学反应，因此cBN作为磨具材料可以在苛刻的工作条件下磨削黑色金属时可以表现出特殊的优越性，大大提高工件的磨削质量和加工效率，与金刚石相比cBN的金属磨削率要高出10倍[19]。作为刀具材料使用，cBN单晶硬度为60GPa左右，是物质世界里超硬的材料之一，仅次于金刚石（约为100GPa），且其热稳定性高达1250oC以上，对含铁合金化学惰性大，抗黏结能力强，开刃简单（用金刚石砂轮可磨削开刃），故适用于加工洛氏硬度为35HRC以上的硬质合金材料，包括各种淬硬钢（如碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等）、冷硬铸铁、钴基和镍基高温合金等高硬及耐磨材料，此外也可以用于加工钛合金、纯钨和纯镍等材料，图1-3为立方氮化硼（cBN）和金刚石刀具的主要加工范围示意图。大尺寸的cBN单晶可以做成单晶刀具，cBN单晶刀具内部无晶界，刀具刃口理论上可以达到原子尺寸级别的平直度和锋利度。因此，刀具的超光洁表面和无缺陷切削刃口可使加工对象的表面粗糙度达到原子级，从而来获得镜面加工效果。因此，cBN单晶刀具可广泛应用于精密或超精密机械加工领域，如原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-用作高速磨削材料，其寿命长，磨削效率高，可大大提升加工效率，降低加工成本。综上，cBN必将大大促进工业切削和磨削技术的发展[20]。图1-3立方氮化硼（cBN）和金刚石刀具的主要加工范围cBN与金刚石、SiC和GaN一起被称为新型第三代半导体材料[21]，cBN和金刚石与另外两种材料相比有着更为优异的性质，他们的带隙更宽，介电常数较低，击穿电场更高以及热导率更好[22]。与金刚石不同的是，作为半导体材料，cBN容易实现n型和p型掺杂，它可以通过掺杂C、S、Si等得到n型半导体；通过掺杂Be得到p型半导体[23]。综上，新型第三代半导体材料中性能最为优异的为cBN，其不仅可用于制备极端条件下工作的电子器件，还被广泛应用于深紫外发光和探测器方面[24]。在光学应用方面，cBN可以作为一些光学元件的保护层，因为其在紫外到远红外整个波段具有优良的透过率；结合其良好的抗热冲击性能和硬度，cBN有望成为大功率激光器和探测器的理想窗口材料。单晶cBN做成的窗口可用于快速傅立叶变换红外光谱分析，其耐酸、耐碱和耐溶剂，可扩大分析样品的种类，还可应用于高压设备的窗口，在百万大气压的范围内用于各种光谱的原位测量。在量子芯片应用方面，随着量子计算的兴起，信息世界将迎来一场翻天覆地的革命，金刚石和立方氮化硼的色心将是量子计算的重要载体，即“量子芯片”的关键材料。立方氮化硼也可以形成类似金刚石的色心，但由于制备cBN单晶较为困难，关于它的色心研究还停留在理论计算阶段，计算研究表明，它的色心是由一个O原子替一个N原子，并与相邻B原子空位可形成稳定的结构，即ON-VB色心（图1-4）。由于cBN具有更大的带隙（6.4eV）[22]，漏电电流会更低，信噪比更高，因此，即使其在低功率下进行量子运算操作，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Analysis of Transition Mechanism of Cubic Boron Nitride Single Crystals under High Pressure-High Temperature with Valence Electron Structure Calculation[J]. 吕美哲,许斌,蔡立超,贾凤,袁兴栋. Chinese Physics Letters. 2019(01)
[2]国内外立方氮化硼进展[J]. 张相法,位星. 超硬材料工程. 2016(03)
[3]立方氮化硼的结构和基本性质[J]. 邢淑芝,郭明,侯丽新,谷开慧. 现代交际. 2014(12)
[4]立方氮化硼的性能和应用[J]. 李重阳. 科技视界. 2014(15)
[5]第一主族元素（Li,Na,K）和第二主族元素（Be,Mg,Ca）掺杂二维六方氮化硼单层的第一性原理计算研究[J]. 刘越颖,周铁戈,路远,左旭. 物理学报. 2012(23)
[6]《新材料产业“十二五”发展规划》解读[J]. 化工管理. 2012(08)
[7]立方氮化硼材料的制备、性能及应用[J]. 张旺玺,卢金斌. 中原工学院学报. 2011(02)
[8]锂基触媒体系中不同形状立方氮化硼晶体的高压合成[J]. 杨大鹏,吉晓瑞,李英爱,张铁臣. 高压物理学报. 2010(03)
[9]立方氮化硼的高压合成研究[J]. 伍红儒,寇自力,李拥军,张剑,张永芳. 工具技术. 2009(05)
[10]立方氮化硼晶体生长与三大基材的关系[J]. 王光祖,张相法,张奎. 超硬材料工程. 2009(02)
硕士论文
[1]优质立方氮化硼单晶的静态高温高压合成工艺研究[D]. 温振兴.山东建筑大学 2014
[2]Al对Li基触媒合成cBN影响的研究[D]. 郭玮.吉林大学 2008
本文编号：3461908
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