B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究

发布时间：2017-05-17 07:00

  本文关键词：B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文对硼碳氮体系中可能存在的新型超硬材料进行结构预测和实验合成两方面研究。采用第一性原理建立了六种稳定的B-C-N新结构和一种O-BN结构,并对其硬度和导电性进行预测;应用高温高压合成技术成功制备了新型纳米孪晶金刚石超硬材料,同时发现一种新型的M-diamond碳同素异形体,系统测试了纳米孪晶金刚石块体材料的力学性能和热稳定性。应用第一性原理预测出三种新的BC4N和三种BC6N结构模型,微观硬度计算结果表明它们均为潜在的超硬材料,其中o-BC4N-1结构具有最大维氏硬度为64GPa。能带结构计算发现D-BC6N-4结构具有导电性,R-BC4N结构具有绝缘性,其余四种结构呈现半导体性。利用第一性原理预测了一种新型的正交氮化硼结构O-BN,计算结果表明其为具有半导体性的超硬材料,分析了六方BN单层的“chair”和“boat”褶皱变形而获得O-BN的形成机制,并预测了压缩h-BN直接获得O-BN结构的可能途径。以h-BN和炭黑为原料,经高速喷射纳米化技术制备了B-C-N前驱物。在结构预测基础上,采用T25高温高压合成技术,在15~20GPa和1600~1850℃条件下,对B-C-N前驱物进行高温高压合成研究。结果表明在本实验的合成条件下没有获得三元B-C-N结构相,而是获得了纳米c-BN和纳米金刚石的混晶块体材料。硬度测试发现混晶块体材料中存在硬度极高的区域(维氏硬度最高达到271.6GPa),高分辨透射电镜分析发现极高的硬度区域存在大量的纳米金刚石孪晶结构。应用高速喷射纳米化技术,以高纯炭黑为原料,成功制备出洋葱结构碳的纳米粉体材料,其粒径分布在20-50nm。利用所获得的纳米洋葱结构碳,在18~25GPa和1850~2000℃条件下成功制备出极硬的纳米孪晶金刚石透明块体材料。透射电镜分析表明材料中含有大量的纳米孪晶结构,平均孪晶厚度可达5nm。纳米孪晶的存在极大地提高了材料的力学性能和热稳定性,其硬度比天然金刚石的硬度高出将近一倍,断裂韧性是天然金刚石的2-3倍;起始氧化温度比天然金刚石高200℃。在10~15GPa和1600~2000℃高温高压条件下,利用纳米洋葱结构碳为原料,成功合成出黑色纳米孪晶金刚石块体材料。该材料中含有更加细小的孪晶结构,在15GPa-1850℃条件下所获得样品的平均孪晶厚度仅为2.5nm。微观分析发现样品中存在一种新的具有单斜结构的M-diamond碳同素异形体。M-diamond合理分布在纳米孪晶金刚石晶粒间,使其获得极高的力学性能,其维氏硬度可高达320-340GPa,断裂韧性达到6.5-11.9MPa·m0.5。
【关键词】：BCN化合物 纳米孪晶金刚石 M-diamond碳同素异形体 第一性原理 高温高压 硬度 氧化温度 断裂韧性
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ163
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景及研究意义11
• 1.2 超硬碳材料研究进展11-16
• 1.2.1 超硬碳材料的实验研究11-15
• 1.2.2 超硬碳材料的理论研究15-16
• 1.3 超硬氮化硼材料的研究进展16-19
• 1.3.1 超硬氮化硼材料的实验研究16-18
• 1.3.2 超硬氮化硼材料的理论研究18-19
• 1.4 超硬硼碳氮化合物的研究进展19-22
• 1.4.1 超硬硼碳氮化合物实验研究19-20
• 1.4.2 超硬硼碳氮化合物的理论研究20-22
• 1.5 本文的主要研究内容22-23
• 第2章 B-C-N体系中新结构的预测23-44
• 2.1 引言23-24
• 2.2 BC_4N的第一性原理计算24-29
• 2.2.1 计算方法24
• 2.2.2 BC_4N的计算结果讨论24-29
• 2.3 BC6N第一性原理计算29-35
• 2.3.1 计算方法29-30
• 2.3.2 计算结果讨论30-35
• 2.4 氮化硼同素异形体O-BN第一性原理计算35-42
• 2.4.1 计算方法35
• 2.4.2 计算结果分析35-42
• 2.5 本章小节42-44
• 第3章 超硬C-BN/diamond混晶材料的合成与性能研究44-56
• 3.1 引言44
• 3.2 实验方法44-45
• 3.2.1 前驱物和高温高压产物的制备44-45
• 3.2.2 结构与性能表征45
• 3.3 前驱物的表征45-48
• 3.4 C-BN/diamond混晶材料的制备与表征48-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 超硬纳米孪晶金刚石的合成与性能研究56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 实验方法56-57
• 4.2.1 纳米孪晶金刚石的合成56-57
• 4.2.2 结构与性能表征57
• 4.3 纳米洋葱碳的制备与表征57-60
• 4.4 纳米孪晶金刚石的合成与结构表征及性能研究60-73
• 4.4.1 纳米孪晶金刚石的合成与结构研究60-65
• 4.4.2 纳米孪晶金刚石热稳定性研究65-67
• 4.4.3 纳米孪晶金刚石块体的力学性能研究67-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 新型碳同素异形体M-diamond的发现与结构表征74-92
• 5.1 引言74
• 5.2 实验方法74
• 5.3 新型碳同素异形体M-diamond的实验发现与结构表征74-81
• 5.4 碳同素异形体M-diamond晶体的第一性原理研究81-86
• 5.5 黑色纳米孪晶金刚石块体材料的性能研究86-87
• 5.6 洋葱碳在高温高压下的相转变图87-91
• 5.6.1 实验方法87-88
• 5.6.2 结果分析88-91
• 5.7 本章小结91-92
• 结论92-94
• 参考文献94-104
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果104-106
• 致谢106-107
• 作者简介107

【参考文献】

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1 余强华;微米金刚石对碳纳米葱烧结PCD组织及性能的影响[D];燕山大学;2013年

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本文编号：372715