一种长直氮化硼纳米线的制备方法与流程

本发明属于纳米线制备技术领域，具体涉及一种长直氮化硼纳米线的制备方法。

背景技术：

自从碳纳米管发现以来，氮化硼纳米材料作为碳纳米材料的类似物引起了人们广泛的兴趣和重视。理论研究表明氮化硼纳米材料具有优良的物理和化学特性，如带隙宽度不受手型、管径大小的影响，具有耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀、良好的热稳定特性及优异的力学性能等。这些优异的特性使氮化硼纳米材料在高温大功率纳米器件、复合材料、平板显示灯领域具有巨大的应用前景。因此，作为当今纳米材料领域中的重要研究方向之一，国内外在氮化硼纳米材料的制备及应用方面的研究投入了大量的资金和精力。

目前氮化硼纳米管的制备方法主要有电弧放电法、模板法、静电纺丝法、机械球磨法和高温化学气相沉积法等。其中机械球磨法和高温化学气相沉积法是目前的主流制备方法。但是氮化硼纳米线的制备方法较少，且目前制备氮化硼纳米线的这些方法虽然能够得到氮化硼纳米线，但氮化硼纳米线的产率普遍较低（可视为氮化硼纳米管制备过程的杂质），制备过程中需要使用具有腐蚀性的氨气，需要高真空度、高射频等苛刻条件，制备的纳米线形貌弯曲，不利于后期纳米效应的研究及特殊性质的研究以及实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有方法制备的氮化硼纳米线产率低、成本高、设备复杂以及形貌弯曲影响后续研究和应用的问题，提供一种长直氮化硼纳米线的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种长直氮化硼纳米线的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将硼粉与催化剂粉末放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空，抽至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后注入高纯氮气，至球磨罐内压强为0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内对硼粉与催化剂粉末进行球磨，硼粉与催化剂粉末的质量比为1:0.08~0.7，球磨后粒径为600nm~1200nm；

步骤二：将球磨好的粉末分散到酒精中，使粉末与酒精的料液比为0.5~0.75g/ml，形成墨状前驱物，将墨状前驱物刷涂到衬底上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

步骤三：向烧结炉中通入高纯氮气，气体流速为100sccm~400sccm，将衬底放到烧结舟上推入烧结炉中；

步骤四：将烧结炉内的温度以10℃/min~20℃/min的升温速率自室温升温至1100℃~1200℃，在氮氢混合气中恒温1h，然后冷却至室温，即得长直氮化硼纳米线。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明方法制备氮化硼纳米线纯度高，可达90%以上，且制备温度低、成本低。本发明工艺简单易行、所用设备廉价、实验过程方便且产品纯度高，制备的氮化硼纳米线在纳电子学、光电子学、储氢及耐高温功能材料方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明对比例1所得氮化硼管状结构的扫描电镜照片；

图2是本发明对比例1所得氮化硼管状结构的低分辨透射电镜照片；

图3是本发明对比例1所得氮化硼纳米结构的高分辨透射电镜照片；

图4是本发明对比例1所得氮化硼管状结构的eds能谱图；

图5是本发明对比例1所得氮化硼管状结构的xps能谱图；

图6是本发明实施例3所得氮化硼纳米线的扫描电镜照片；

图7是本发明实施例3所得氮化硼纳米线的eds能谱图；

图8是本发明实施例3所得氮化硼纳米线的低分辨透射电镜照片；

图9是本发明实施例3所得的氮化硼纳米线选区的电子衍射图；

图10是本发明实施例3所得氮化硼纳米线的高分辨透射电镜照片；

图11是本发明实施例3所得氮化硼纳米线的xps能谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种长直氮化硼纳米线的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将硼粉与催化剂粉末放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空，抽至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后注入高纯氮气，至球磨罐内压强为0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内对硼粉与催化剂粉末进行球磨，硼粉与催化剂粉末的质量比为1:0.08~0.7，球磨后粒径为600nm~1200nm；

步骤二：将球磨好的粉末分散到酒精中，使粉末与酒精的料液比为0.5~0.75g/ml，形成墨状前驱物，将墨状前驱物刷涂到衬底上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

步骤三：向烧结炉中通入高纯氮气，气体流速为100sccm~400sccm，将衬底放到烧结舟上推入烧结炉中；

步骤四：将烧结炉内的温度以10℃/min~20℃/min的升温速率自室温升温至1100℃~1200℃，在氮氢混合气中恒温1h，然后冷却至室温，即得长直氮化硼纳米线。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种长直氮化硼纳米线的制备方法，步骤一中，所述的催化剂为硝酸铁、硅和氧化硅的混合物，其中，硝酸铁、硅和氧化硅的质量比为0.08:(0.05~0.2):(0.05~0.11)。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种长直氮化硼纳米线的制备方法，步骤二中，所述衬底为钢板。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种长直氮化硼纳米线的制备方法，步骤四中，所述氮氢混合气中氮气与氢气体积比为85:15，氮氢混合气气体流速为100sccm~400sccm。

实施例1：

本实施例中长直氮化硼纳米线的制备方法如下：

一、将硼粉与催化剂粉末放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后充入高纯氮气，至球磨罐内压强为0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内进行球磨；

二、将球磨好的粉末分散到酒精中形成墨状前驱物，并将墨状前驱物刷涂到钢板上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

三、向烧结炉中通入高纯氮气，将钢板放到烧结舟上推入烧结炉中；

四、将烧结炉内的温度以15℃/min的升温速度升温至1100℃~1200℃，气体流速200sccm的n2/15%h2气氛下恒温1h，然后冷却至室温，即得氮化硼纳米线。

本实施例所得长直氮化硼纳米线的直径为30~150nm，长度大于50μm。本实施例制备氮化硼纳米线的产率为85%~95%。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是步骤四中在1100℃的温度下保温lh。其它步骤与实施例1相同。

本实施例制备的长直氮化硼纳米线的产率为80%~90%。

实施例3：

本实施例中氮化硼纳米线的制备方法如下：

一、将1g硼粉与0.08g硝酸铁粉末、0.2g硅粉、0.11g氧化硅粉放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后充入高纯氮气，至球磨罐内压强为0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内进行球磨；

二、将球磨好的粉末分散到酒精中形成墨状前驱物，并将墨状前驱物刷涂到钢板上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

三、向烧结炉中通入高纯氮气，将钢板放到烧结舟上推入烧结炉中；

四、将烧结炉内的温度以10℃/min~20℃/min的升温速度升温至1100℃~1200℃，气体流速100sccm~400sccm的n2/15%h2气氛下恒温1h，然后冷却至室温，即得氮化硼纳米线。

本实施例制备氮化硼纳米线的产率为85%~95%。

由图6和图8可知本实施例所得的氮化硼纳米线的直径为60~200nm，长度为50~100μm；由图7和图8看出氮化硼纳米线的顶端存在有催化剂颗粒；由图9和图10可知本实施例所得的氮化硼纳米线具有极高的结晶度；由图7和图11可知图6中的线状物为氮化硼。

实施例4：

本实施例中长直氮化硼纳米线的制备方法还可以按照以下步骤进行：

一、将1g硼粉与0.08g硝酸铁粉末、0.1g硅粉、0.05g氧化硅粉放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后充入高纯氮气，至球磨罐内压强0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内进行球磨；

二、将球磨好的粉末分散到酒精中形成墨状前驱物，并将墨状前驱物刷涂到钢板上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

三、向烧结炉中通入高纯氮气，将钢板放到烧结舟上推入烧结炉中；

四、将烧结炉内的温度以15℃/min的升温速度升温至1100℃~1200℃，气体流速200sccm的n2/15%h2气氛下恒温1h，然后冷却至室温，即得氮化硼纳米管。

本实施例得到的氮化硼纳米线的产率为85%~95%。

实施例5：

本实施例中长直氮化硼纳米线的制备方法还可以按照以下步骤进行：

一、将1g硼粉与0.08g硝酸铁粉末、0.4g硅粉、0.22g氧化硅粉放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后充入高纯氮气，至球磨罐内压强0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内进行球磨；

二、将球磨好的粉末分散到酒精中形成墨状前驱物，并将墨状前驱物刷涂到钢板上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

三、向烧结炉中通入高纯氮气，将钢板放到烧结舟上推入烧结炉中；

四、将烧结炉内的温度以15℃/min的升温速度升温至1100℃~1200℃，气体流速200sccm的n2/15%h2气氛下恒温1h，然后冷却至室温，即得氮化硼纳米管。

本实施例得到的长直氮化硼纳米线的产率为60%~80%。

对比例1：

按照以下步骤制备氮化硼纳米管：

一、将1g硼粉与0.08g硝酸铁粉末放入球磨罐中，对球磨罐进行抽真空至压强为-0.1mpa~-0.09mpa，然后充入高纯氮气，至球磨罐内压强为0mpa~0.14mpa，再将球磨罐置于球磨机内进行球磨；

二、将球磨好的粉末分散到酒精中形成墨状前驱物，并将墨状前驱物刷涂到钢板上，所述酒精的体积浓度≥99.7%；

三、向烧结炉中通入高纯氮气，将钢板放到烧结舟上推入烧结炉中；

四、将烧结炉内的温度以15℃/min的升温速度升温至1100℃~1200℃，气体流速200sccm的n2/15%h2气氛下恒温1h，然后冷却至室温，即得氮化硼纳米管。

本对比例制备氮化硼纳米管的产率为85%~95%。由图1和图2可以看出本对比例所得的氮化硼纳米结构具有管状结构，直径为50nm~120nm左右，长度为几十微米左右；由图3可以看出本对比例所得到的氮化硼纳米管为多壁纳米管，壁厚约为20nm；由图4和图5可知本对比例所得具有管状结构的氮化硼纳米材料主要成份为b和n（还含有少量的o）。

本对比例产物中85%~95%为氮化硼纳米管，而只有不到5%的氮化硼纳米线，且纳米线的形貌不是长直状。而在催化剂中加入硅和氧化硅粉末后，氮化硼纳米线的产率增加，且纳米线的形貌为长直状，便于后期的应用。