CN109626341A - 一种立方氮化硼薄膜的制备方法 - Google Patents

一种立方氮化硼薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种立方氮化硼薄膜的制备方法。将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散，剥离得到二维氮化硼粉末；将二维氮化硼粉末和触媒材料进行充分混合，压制成圆柱状，放入顶压机高温高压处理，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼薄膜材料。本发明所公开的方法采用的二维氮化硼只需位置稍稍移动即可形成立方氮化硼薄膜，可提高立方氮化硼的形核率与转化率、降低原料浪费，制备的超薄的立方氮化硼薄膜扩大了立方氮化硼的应用领域，具备制备简单、成本低、易于工业化批量生产的特点。

Description

一种立方氮化硼薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及立方氮化硼制备领域，尤其涉及一种二维氮化硼作为原料制备立方氮化硼薄膜的方法。
背景技术
立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的超硬材料。它不但具有金刚石的许多优良特性，而且有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。立方氮化硼的使用是对金属加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。同时，它又以其优异的热学、电学、光学和声学等性能，在一系列高科技领域得到应用，成为一种具有发展前景的功能材料。
1957年首次人工合成立方氮化硼，在温度接近或高于1700℃，最低压强为11～12GPa时，由纯六方氮化硼直接转变成立方氮化硼。随后人们发现使用催化剂可大幅度降低转变温度和压力，常用的催化剂为：碱和碱土金属、碱和碱土氮化物、碱土氟代氮化物、硼酸铵盐和无机氟化物等，其中以硼酸铵盐作催化剂所需的温度和压力最低，在1500℃时所需压力为5GPa，而在压力为6GPa时其温度区间为600～700℃。目前，现有的高温高压法合成立方氮化硼是将六方氮化硼直接转化为立方氮化硼，需要采用较高的压力和温度来实现，立方氮化硼的转化率通常在30％至55％，合成率较低，造成原料利用率不高。为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求提升转化率、降低原料浪费的技术解决方案。
金刚石的合成通常都采用结晶良好的石墨为合成碳源，石墨在高温、高压下，碳原子产生轻微的移动，即可直接转化为金刚石。中国发明专利《***合成金刚石的膨胀石墨法》(CN93115929.6)中采用被看成一种特殊的“多孔”石墨材料的C轴层间距被拉大的膨胀石墨作为冲击合成金刚石的碳源，在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。双层及多层石墨烯可以视为达到C轴层间距被拉大到“极限”程度的膨胀石墨。采用多层石墨烯冲击合成人造金刚石，既满足直接相变条件，又可在较低压力下达到较高的合成温度，因此可提高金刚石的形核率。以石墨以及膨胀石墨为碳源的冲击法形成的是金刚石颗粒，需要形核过程以及多层的位移匹配。采用多层石墨烯只需位置稍稍移动即可在冲击下形成金刚石薄膜，可在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。六方氮化硼，俗称“白石墨”，具有与石墨相似的层状晶体结构，每一层都是由B原子和N原子按照sp2杂化方式交替排列组成的无限延伸的六边形，这些原子层再沿C轴方向按照ABAB……方式排列。在同一层内，B和N原子之间靠共价键结合起来，层与层之间则以范德华力相结合。各国研究者在立方氮化硼形成机理方面做了大量的研究，发现六方氮化硼转化为立方氮化硼的过程中，六方氮化硼的层间多处区域需要先形成错位，然后以此为形核点再生成立方氮化硼，与金刚石的合成过程类似。因此，二维氮化硼可以视为达到C轴层间距被拉大到“极限”程度的膨胀六方氮化硼，以二维氮化硼为原料制备立方氮化硼，只需位置稍稍移动即可形成立方氮化硼薄膜，既满足直接相变条件，又可在较低压力下达到较高的形核率与转化率、降低原料浪费，制备出超薄的立方氮化硼薄膜，扩大立方氮化硼的应用领域，如应用于防弹衣，微纳半导体器件等。
发明内容
提出了一种立方氮化硼薄膜的制备方法，尤其涉及一种二维氮化硼作为原料制备立方氮化硼薄膜的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种立方氮化硼薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散，离心分离去除大体积的氮化硼颗粒，将上清液烘干，得到剥离好的二维氮化硼粉末；
(2)将二维氮化硼粉末和触媒材料进行充分混合，压制成圆柱状，放入顶压机高温高压处理，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼薄膜材料。
步骤(1)中的超声分散时间为8-12h。
步骤(1)中的离心转速为5000-7000r/min，离心时间为5-15min，烘干温度为80-100℃。
步骤(2)中的二维氮化硼粉末和触媒材料的质量比为100∶7-100∶50。
步骤(2)中的触媒材料包括碱和碱土金属、碱和碱土氮化物、碱土氟代氮化物、硼酸铵盐和无机氟化物。
步骤(2)中的高温为1000℃-1800℃，高压为4.0-5.1GPa，时间为5-30min。
本发明具有如下优势：
(1)以六方氮化硼为原料形成的是立方氮化硼颗粒，需要形核过程以及多层的位移匹配。本发明所述方法采用的二维氮化硼只需位置稍稍移动即可形成立方氮化硼薄膜，可提高立方氮化硼的形核率与转化率、降低原料浪费。
(2)本发明所述方法中制备的超薄的立方氮化硼薄膜扩大了立方氮化硼的应用领域，如应用于防弹衣，微纳半导体器件等。
(3)本发明所述方法具备制备简单、成本低、易于工业化批量生产的特点。
附图说明
图1为立方氮化硼晶体结构示意图。
图2为六方氮化硼晶体结构示意图。
图3为三方氮化硼晶体结构示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散10h。
(2)将分散液离心，转速为5000r/min，离心时间为10min，取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
(3)将质量比为100∶5∶5∶7的二维氮化硼粉末和氮化锂、氮化钛、氮化铝粉末充分混合，压制成圆柱状。
(4)放入顶压机中，高温高压处理，温度为1400℃，压力为4.0GPa，时间为5min。
(5)将产物取出，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼。
实施例2
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散6h。
(2)将分散液离心，转速为5000r/min，离心时间为10min，取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
(3)将质量比为100∶5∶5∶7的二维氮化硼粉末和氮化锂、氮化钛、氮化铝粉末充分混合，压制成圆柱状。
(4)放入顶压机中，高温高压处理，温度为1400℃，压力为4.0GPa，时间为5min。
(5)将产物取出，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼。
实施例3
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散10h。
(2)将分散液离心，转速为7000r/min，离心时间为5min，取出上清液，在980℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
(3)将质量比为100∶5∶5∶7的二维氮化硼粉末和氮化锂、氮化钛、氮化铝粉末充分混合，压制成圆柱状。
(4)放入顶压机中，高温高压处理，温度为1400℃，压力为4.0GPa，时间为5min。
(5)将产物取出，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼。
实施例4
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散10h。
(2)将分散液离心，转速为5000r/min，离心时间为10min，取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
(3)将质量比为100∶10∶10∶14的二维氮化硼粉末和氮化锂、氮化钛、氮化铝粉末充分混合，压制成圆柱状。
(4)放入顶压机中，高温高压处理，温度为1400℃，压力为4.0GPa，时间为5min。
(5)将产物取出，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼。
实施例5
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散10h。
(2)将分散液离心，转速为5000r/min，离心时间为10min，取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
(3)将质量比为100∶5∶5∶7的二维氮化硼粉末和氮化锂、氮化钛、氮化铝粉末充分混合，压制成圆柱状。
(4)放入顶压机中，高温高压处理，温度为1600℃，压力为4.0GPa，时间为5min。
(5)将产物取出，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种立方氮化硼薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将六方氮化硼粉末加入到二甲基甲酰胺中，超声分散，离心分离去除大体积的氮化硼颗粒，将上清液烘干，得到剥离好的二维氮化硼粉末；
(2)将二维氮化硼粉末和触媒材料进行充分混合，压制成圆柱状，放入顶压机高温高压处理，采用酸碱提纯即可得到立方氮化硼薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的超声分散时间为8-12h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的离心转速为5000-7000r/min，离心时间为5-15min，烘干温度为80-100℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的二维氮化硼粉末和触媒材料的质量比为100∶7-100∶50。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的触媒材料包括碱和碱土金属、碱和碱土氮化物、碱土氟代氮化物、硼酸铵盐和无机氟化物。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的高温为1000℃-1800℃，高压为4.0-5.1GPa，时间为5-30min。
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