CN1272244C - 一种b6o纳米线和晶须结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种B6O纳米线和晶须结构及其制备方法,属于陶瓷材料制备技术领域。采用固相反应方法和化学气相沉积方法,制备中选取IIA族金属氧化物、硼粉和过渡族金属或其金属氧化物作为起始原料。其中过渡族金属或其金属氧化物的质量比控制在20%~70%,IIA族金属氧化物比例控制在10%~50%,将起始原料混合后,在2~10MPa的压力下把混合料压制成试片,造粒后,过筛。Ar气氛下,在1350~1500℃下进行热处理。本发明通过原料配比的调整,可以制备出直径在20nm~600nm的B6O纳米线。用该方法还可以制备出B6O晶须材料,且产量和纯度高。样品经分离后,在扫描电子显微镜下对制备的纳米线形貌进行观察,可见制备的B6O纳米线具有很好的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及一种B6O纳米线和晶须结构及其制备方法,属于陶瓷材料制备技术领域。
背景技术
硼化物材料具有高熔点、高强度和化学稳定性高的特点,其中许多还具有特殊的功能性,如:低的电子功函数、比电阻恒定、在一定温度范围内热膨胀值为零、不同类型的磁序以及高的中子吸收系数等。这些优越性能决定其在现代技术各种器件组元中有广泛的应用前景,许多国家相继开展了该类材料的研究。由于该类材料还具有其它非凡的性能,如化学,电学和热学性能等,尤其此类材料所表现出的奇异物理性能更使得硼化物材料成为研究人员感兴趣的材料体系。具体例子如:ZrB2TiB2表现的优良电导和热导特性,其电导和热导性能比母体金属高出一个量级之多;熔点比母体金属高出1000℃;稀土六硼化物所表现出的优异的热离子发射性质;磷硼化物和砷硼化物则可能是一种具有潜在用途的高温半导体材料;而且AsB6还是一种优良的耐化学冲击的材料;另外,BN立方结构的硬度甚至好于金刚石,MgB2是近年来发现的高温超导材料,其居里点温度高达39K。所以,硼化物材料许多新奇的物理性能成为研究人员十分感兴趣的材料。
B6O是一类具有很多潜在应用的硼化物材料。该材料的硬度可以和金刚石媲美;文献报道其维氏硬度可达45GPa。另外,这种材料可能具有半导体性质,所以,可作为光学或电学原件原料。B6O块体材料的制备主要采用高温高压下进行制备,其膜材料主要采用溅射或化学气相沉积法制备。迄今为止,还没有具备纳米线或晶须结构的B6O材料制备的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单(无需高压)、生产成本低、可操作性强的制备B6O纳米线和晶须结构材料及其制备方法。在这种方法中,我们通过配料方案的变化,烧结制度的调整可以实现在较低温度下合成B6O纳米线结构,且直径可控。
本发明提出的一种制备B6O纳米线或晶须结构的方法,采用固相反应方法,其特征在于:所述制备方法中材料采用IIA族金属氧化物、硼粉和过渡族金属或其金属氧化物;其中过渡族金属或其金属氧化物的质量比控制在20%~70%,IIA族金属氧化物比例控制在10%~50%,硼粉的比例在20~70%;所述IIA族金属氧化物为CaO,SrO或BaO,所述过渡族金属或其金属氧化物为Fe,Co,Ni或Fe3O4,Fe2O3,CoO,NiO;其具体步骤为:
(1)将起始原料混合,经湿法球磨后,烘干,加入粘合剂,造粒;
(2)将上述造粒后的料在2~10MPa的压力下制成片;
(3)将步骤(2)压制成片的料在Ar气氛,1300~1500℃下进行热处理,保温1h~8h。
本发明提出的一种制备B6O纳米线或晶须结构的方法,采用化学气相沉积法,其特征在于:所述制备方法中材料采用IIA族金属氧化物、硼粉和过渡族金属或其金属氧化物;其中过渡族金属或其金属氧化物的质量比控制在20%~70%,IIA族金属氧化物比例控制在10%~50%,硼粉的比例在20~70%;所述IIA族金属氧化物为CaO,SrO或BaO,所述过渡族金属或其金属氧化物为Fe,Co,Ni或Fe3O4,Fe2O3,CoO,NiO;其具体步骤为:
(1)将起始原料混合,经湿法球磨后,烘干,加入粘合剂,造粒;
(2)将上述造粒后的料在2~10MPa的压力下制成片;
(3)将步骤(2)压制成片的料在Ar气氛,1300~1500℃下进行热处理,保温1h~8h;在热处理过程中,压制试片放入Al2O3陶瓷舟中,同时在Ar气流下方放入一镀Fe,Co或Ni的Al2O3或SiO2基片,试验中把瓷舟密封,热处理后,在基板上和热处理后混合试片中均可得到B6O纳米线或其晶须。
本发明通过原料配比的调整,可以制备出直径在20nm~600nm的B6O纳米线。而且,纳米线的直径可以根据工艺制度和配料的变化进行调整。用该方法还可以制备出B6O晶须材料,而且其产量和纯度都很高。样品经分离后,在扫描电子显微镜下对制备的纳米线形貌进行观察,可见制备的B6O纳米线产量很高,而且纳米线具有很好的一致性。
附图说明
图1为本发明硼化物纳米线生成的配料区域(黑线以内的区域)。
图2为本发明制备纳米线和晶须的EELS谱。
图3为本发明纳米线的高分辨和电子衍射谱分析。
图4为本发明晶须的高分辨和电子衍射谱分析。
图5为本发明实施例2制备的B6O纳米线形貌。
图6为本发明制备的B6O晶须形貌。
图7为本发明Si基片上生成的B6O纳米线形貌。
图8为本发明Si基片上生成的CaB6晶须形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明:
本发明采用固相反应方法和化学气相沉积方法,制备中选取IIA族金属氧化物(CaO,SrO或BaO)、硼粉和过渡族金属或其金属氧化物作为起始原料。其中过渡族金属或其金属氧化物的质量比控制在20%~70%,IIA族金属氧化物比例控制在10%~50%,为了得到不同尺度的B6O纳米线,可以通过调过渡族金属或其金属氧化物或IIA族金属氧化物的相对比例来控制。在试验配方中过渡族金属或其金属氧化物是一种制备硼化物纳米线的关键原料,它主要在烧结过程中不仅起到降低烧结温度和提供液相的作用,而且它还可能为纳米线生长提供催化剂作用。在图1中,采用CaO,Fe3O4和B粉作为起始原料,我们把具有纳米线生成的区域加以划定。将起始原料混合后(可以采用湿法或干法混合),在2~10MPa的压力下把混合料压制成试片,为使压制试片有一定强度,可以在压制前加入少量粘合剂,造粒后,过40目筛。Ar气氛下,在1350~1500℃下进行热处理,保温时间根据情况设定,一般在1h~8h。在热处理过程中,压制试片放入Al2O3陶瓷舟中,同时在Ar气流下方可以放入一镀Fe的Al2O3或SiO2基片,试验中把瓷舟密封。热处理后,在基板上和热处理后混合试片中均可得到B6O纳米线或其晶须。
图3是用能量损失谱对该方法制备纳米线和晶须结构的组成分析结果,可以看出,制备的纳米线其组成元素为B和O元素。通过高分变电子显微镜和电子衍射分析发现,该纳米线(图4)和晶须(图5)的晶体结构确实为B6O。
实施例1
选取50%Fe3O4,37%B粉和13%CaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在2MPa压力下压制成试片。把压制的试片在Ar气氛下,1400℃热处理,保温2小时,片状样品经烧制后,成为具有B6O纳米线和Ca-B,Fe-B混合粉料样,经分离后可得到B6O纳米线。
将本例1制备的粉状样品经分离后,在扫描电子显微镜下对制备的纳米线形貌进行观察,可见制备的B6O纳米线产量很高(见图6),而且纳米线具有很好的一致性。
实施例2
选取38%Fe3O4,38%B粉和24%CaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在4MPa压力下压制成试片。把压制的试片在Ar气氛下,1400℃热处理,保温2小时,片状样品经烧制后,成为具有B6O纳米晶须和Ca-B,Fe-B混合粉料样,经分离后可得到B6O纳米晶须。
在Si基片上制备出大量的B6O纳米线结构,产量很高,而且纳米线具有很好的一致性(见图7),同时也可制备的CaB6晶须(见图8)。
实施例3
步骤类似于实施例2,在烧结过程中,在Ar气流通过的下游放置镀Fe的基板(Al2O3或Si),热处理温度制度同实施例2,在基板上可获得B6O纳米线,同时还有少量CaB6晶须材料。
实施例4
选取70%Fe2O3,10%B粉和20%BaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,把混合粉料放入氧化铝瓷舟中,密封后,在Ar气氛下,1500℃热处理,保温2小时,热处理后,形成具有B6O纳米线。
实施例5:
选取20%Fe2O3,10%B粉和70%SrO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在10MPa压力下压制成试片。把压制的试片在Ar气氛下,1300℃热处理,保温8小时,片状样品经烧制后,成为具有B6O纳米线和B6O晶须混合粉料。
实施例6:
选取40%Fe,20%B粉和40%CaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在5MPa压力下压制成试片。把压制的试片在Ar气氛下,1500℃热处理,保温1小时,片状样品经烧制后,成为具有B6O纳米线,在起始混合料下游放置镀Fe的Si基片,在Si基片上可以发现有纯度高的B6O纳米线生成。
实施例7
选取30%Ni,35%B粉和35%BaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在2MPa压力下压制成试片。把压制的试片在Ar气氛下,1400℃热处理,保温8小时,片状样品经烧制后,成为具有B6O纳米线结构及其晶须结构。
实施例8
选取20%CoO,45%B粉和35%CaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在6MPa压力下压制成试片。把压制的试片在Ar气氛下,1450℃热处理,保温6小时,片状样品经烧制后,成为具有B6O纳米线结构及其晶须结构。
实施例9
选取30%NiO,35%B粉和35%BaO作为起始原料,经湿法球磨后(无水乙醇作为介质),烘干,用10%丙三醇+90%无水乙醇作为粘合剂,造粒,在8MPa压力下压制成试片。把试片放入密闭的瓷舟中,在Ar气流通过的下游放置镀Ni的基板(Al2O3或Si),热处理温度制度为1400℃保温4小时,在基板上可获得B6O纳米线及晶须结构。
Claims (2)
1、一种制备B6O纳米线或晶须结构的方法,采用固相反应方法,其特征在于:所述制备方法中材料采用IIA族金属氧化物、硼粉和过渡族金属或其金属氧化物;其中过渡族金属或其金属氧化物的质量比控制在20%~70%,IIA族金属氧化物比例控制在10%~50%,硼粉的比例在20~70%;所述IIA族金属氧化物为CaO,SrO或BaO,所述过渡族金属或其金属氧化物为Fe,Co,Ni或Fe3O4,Fe2O3,CoO,NiO;其具体步骤为:
(1)将起始原料混合,经湿法球磨后,烘干,加入粘合剂,造粒;
(2)将上述造粒后的料在2~10MPa的压力下制成片;
(3)将步骤(2)压制成片的料在Ar气氛,1300~1500℃下进行热处理,保温1h~8h。
2、一种制备B6O纳米线或晶须结构的方法,采用化学气相沉积法,其特征在于:所述制备方法中材料采用IIA族金属氧化物、硼粉和过渡族金属或其金属氧化物;其中过渡族金属或其金属氧化物的质量比控制在20%~70%,IIA族金属氧化物比例控制在10%~50%,硼粉的比例在20~70%;所述IIA族金属氧化物为CaO,SrO或BaO,所述过渡族金属或其金属氧化物为Fe,Co,Ni或Fe3O4,Fe2O3,CoO,NiO;其具体步骤为:
(1)将起始原料混合,经湿法球磨后,烘干,加入粘合剂,造粒;
(2)将上述造粒后的料在2~10MPa的压力下制成片;
(3)将步骤(2)压制成片的料在Ar气氛,1300~1500℃下进行热处理,保温1h~8h;在热处理过程中,压制试片放入Al2O3陶瓷舟中,同时在Ar气流下方放入一镀Fe,Co或Ni的Al2O3或SiO2基片,试验中把瓷舟密封,热处理后,在基板上和热处理后混合试片中均可得到B6O纳米线或其晶须。
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