一种BN纤维和BN薄片及其制备方法与流程

本发明涉及h-bn材料及其制备方法，具体涉及一种bn纤维和bn薄片及其制备方法，属于无机非金属材料。

背景技术：

氮化硼是由iiia族元素b和va族元素n化合而成的共价半导体材料。晶态氮化硼可分为以下四种：六方氮化硼(h-bn)、立方氮化硼(c-bn)、菱方氮化硼(r-bn)和纤锌矿氮化硼(w-bn)。其中，h-bn与石墨结构相似，因此它们具有相似的物理化学性质，如良好的润滑性、高强度、高热导率等。与石墨一样层状的片也可卷曲成无缝的中空管状结构，并且与其相似的韧性和强度。与石墨不同的是，六方氮化硼的带隙能量(eg)在3.6-7.2ev之间，在氧化气氛中的热稳定性可达900。其可用于制作高温、高压、绝缘、散热部件，广泛用于化工、机械、电子以及航空航天等高科技领域。尤其是具有单层或者多层结构的bn烯以及bn纳米管因独特的性能受到极大关注。

目前，bn纤维和bn薄片的制备方法主要有电弧法、cvd、前驱物法等化学方法(boronnitridenanotubes,adv.mater.2007,19,2413–2432.)，这些方法工艺复杂成本高，难以大规模应用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明公开了一种bn纤维和bn薄片的物理气相沉积(pvd)制备方法，及其制备得到的bn纤维和bn薄片产品。

一方面，本发明提供了一种bn纤维和bn薄片的制备方法，包括：

(1)选用含有al2o3和zro2的bn陶瓷作为bn源，选用包含y2o3粉体、aln粉体、al2o3粉体和碳粉压制成的块体作为生长基底；

(2)将所得生长基底放置于bn陶瓷上，然后置于带盖且不密封的氧化铝坩埚中，在氮气气氛中、1800～1900℃下保温至少0.5小时，在生长基底上生长得到bn纤维和bn薄片。

较佳地，所述bn陶瓷中al2o3的含量为0.1～2.0wt％，zro2的含量为0.1～3.0wt％。

较佳地，所述生长基底中y2o3粉体的含量为0.1～2.0wt％，aln粉体的含量为25～45wt％，al2o3粉体的含量为25～45wt％，碳粉的含量为25～45wt％，各组分含量之和为100％。

另一方面，本发明提供了一种根据上述的制备方法制备的bn纤维，所述bn纤维的顶端有钇铝氧化物。

较佳地，所述bn纤维为bn纳米管。

另一方面，本发明提供了一种根据上述的制备方法制备的bn薄片，其特点在于，所述bn薄片的边缘有钇铝氧化物。

较佳地，所述bn薄片为层状bn烯(多层bn烯)。

在本公开中，首次采用物理气相沉积(pvd)制备了bn纤维和bn薄片。本发明公开的bn纤维和bn薄片的制备方法具有工艺简单，成本低，污染小的优点。有利于工业化生产。进一步地，本发明还公开了一种bn纳米管和多层bn烯的制备方法，及其bn纳米管和多层bn烯的产品。

附图说明

图1为本发明bn纤维和bn薄片的制备方法的示意图；

图2为实施例1制备的绒毛状产物的x射线衍射(xrd)结果；

图3为实施例1制备的绒毛状产物的电子显微镜照片(sem)；

图4为电子显微镜下实施例1中制备的bn纤维的顶部形貌图；

图5为实施例2制备的产物的透射电子显微镜(tem)形貌图；

图1中1－氧化铝坩埚；2－氧化铝坩埚盖；3－生长基底；4－bn陶瓷；5－间隙。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，以含有al2o3和zro2的bn陶瓷作为bn的来源，将添加了y2o3的aln、al2o3和碳粉的混合物压制成块状作为生长基底，采用物理气相沉积(pvd)制备了bn纤维和bn薄片。其中，bn陶瓷中al2o3的含量可为0.1～2.0wt％，zro2的含量可为0.1～3.0wt％。

在本公开中，生长基底的组分包括y2o3、aln、al2o3和碳粉，各组分质量百分比之和为100wt％。例如，y2o3粉体的含量可为0.1～2.0wt％，aln粉体的含量可为25～45wt％，al2o3粉体的含量可为25～45wt％，碳粉的含量可为25～45wt％，各组分含量之和为100％。

在可选的实施方式中，y2o3粉体、aln粉体、al2o3粉体和碳粉的纯度均≥99.9％。

将生长基底放置于bn陶瓷上，然后置于氮气气氛中，在1800～1900℃下保温至少0.5小时，在生长基底上生长得到bn纤维和bn薄片。具体来说(如图1中所示)，将生长基底放置于bn陶瓷上，置于带盖且不密封的氧化铝坩埚中，放在石墨气氛炉中。然后在1800～1900℃的氮气气氛中加热，在生长基底上生长出bn纤维和bn薄片。所述氮气气氛中加热的时间不小于0.5小时。

本发明还提供了一种利用上述制备方法制备的bn纤维和bn薄片。其中，bn纤维的顶端有钇铝氧化物。优选，bn纤维为bn纳米管。bn薄片的边缘有钇铝氧化物。优选所得bn薄片为多层bn烯。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

以h-bn陶瓷4作为bn的来源，其中含有1.5wt％的al2o3，2.5wt％的zro2。将纯度均优于99.9％的aln、al2o3、碳粉以及y2o3四种粉体按照重量比为35：35：28：2混合均匀后压制成块状，作为生长基底3；

如图1所示，将bn陶瓷4放置于氧化铝坩埚1的底部，随后将生长基底3放置于bn陶瓷4上面，盖上氧化铝坩埚盖2后一起放入高温石墨气氛炉中。其中氧化铝坩埚1和氧化铝坩埚盖2之间留有间隙5，保持内外气体平衡；

石墨气氛炉抽真空后，充入氮气保持炉内微正压。程序控温10℃/分钟升温至1850℃保温2h后降温至100℃停炉停气。

在生长基底3的四周及上表面生长出一层绒毛状物。图2是绒毛状物的xrd结果，其中最强的衍射峰是h-bn的(002)晶面，同时显示出少量aln的杂质衍射峰。

图3是实施例1绒毛状产物的sem照片，可以看到bn纤维和bn薄片。图4是电子显微镜下实施例1的bn纤维的顶部形貌，可以看到在bn纤维的顶部有一个疙瘩状物，能谱(eds)分析结果表明其组成为y、al、o三种元素。在bn薄片的边缘也发现了同样的物质。

实施例2

以含有0.5wt％al2o3和0.5wt％zro2的h-bn陶瓷4作为bn的来源，将重量比为29.5：45：25：0.5的aln、al2o3、碳粉以及y2o3四种粉体混合均匀后压制成块状，作为生长基底3。

其余生长步骤同实施例1，保温温度为1800℃，保温时间为0.5小时。图5显示实施例2绒毛状产物中有bn纳米管和多层bn烯。