[发明专利]一种多孔棒状六方氮化硼陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料的制备方法，具体为多孔棒状六方氮化硼陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

氮化硼是一种重要的无机陶瓷材料，由43.6％的硼原子和56.4％的氮原子组成。它的分子式为BN，分子量为24.82，为白色层状结构。常见的氮化硼有六方氮化硼(h-BN)、三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和纤锌矿结构氮化硼(w-BN)。六方氮化硼的晶格常数密度为2.29g/cm³，具有和石墨相近的晶体结构，以及自润滑、轻质、导热等性质。同时，六方BN还表现出一些其他优良性质，如与石墨碳材料相比，具有良好的高温电绝缘性；与二氧化硅相比，具有极小的热膨胀系数；具有良好的抗热震性能；与一般的金属和无机化合物均不反应；具有良好的耐腐蚀性能；具有优异的高温化学惰性等。

目前，一维结构的六方氮化硼纳米材料由于其良好的电学性质和热学性质，在光电器件以及热电设备中具有很好的应用前景。因此，对具有一维结构(棒、管、纤维、线、带等)材料的合成和表征激发了科研工作者极大的兴趣，这为一维材料的广泛研究和应用提供了平台。

针对六方氮化硼的一维纳米材料的制备，采用的技术方法主要有：(1)化学转化法，以硼酸为原料先制备出B₂O₃凝胶纤维，然后将其在NH₃及N₂气氛下高温转化为h-BN纤维(杨辉,张铭霞,唐杰,等.2005.硅酸盐通报,4:62－65)，该方法的缺点是产物结晶性差，且氮化硼纤维的芯部存有部分B₂O₃，产物纯度不高；(2)硼–氮有机先驱体法，是将分别含硼和氮的有机化合物合成高聚物先驱体，再将其纺丝制成纤维，先驱体纤维经高温氮化转化为h-BN纤维(S.Bernard,F.Chassagneux,M.P.Berthet,et al.2002.J Eur Ceram Soc.22:2047－2059)，该方法的缺点是原料昂贵、产率低、制备设备复杂、工艺繁琐；(3)硼–氧有机先驱体法，用溶胶凝胶法制备出硼–氧有机先驱体，然后经熔融拉丝和氨气高温处理得到h-BN纤维(N.Venkatasubramanian,W.Bruce,P.Desai,et al.1991.J Non-cryst Solids,130:144－156)，该方法的缺点在高聚物先驱体中含有杂质原子，在高温氮化后会产生难以除去的副产物，产物纯度不高。

孔结构的存在可以提高物质的比表面积，广泛应用于气体吸附、离子吸附、催化剂等方面。近年来，很多工作致力于控制合成多孔BN晶体结构。制备方法主要有硬模板复制(W.Q.Han,R.Brutchey,T.D.Tilley,et al.2004.Nano Lett,4:173.)和自组装(G.Lian,X.Zhang,S.J.Zhang,et al.2012.Energy Environ Sci.5:7072.)等几种方法。硬模板法制备过程繁琐，需要额外的模板。自组装法制备条件苛刻，不适合大规模制备。Tang等人以铂作为催化剂辅助合成崩溃BN纳米管(C.C.Tang,Y.Bando,X.X.Ding,et al.2002.J Am Chem Soc.124:14550-14551.)。Li等人合成的微孔/介孔BN(J.Li,J.Lin,X.W.Xu,et al.2013.Nanotech.24:155603.)。这些方法由于原料昂贵，产量低等都不适宜规模化生产，仍然不能满足实际应用需求。

尽管六方氮化硼的制备研究已经取得了一定进展，但目前制备条件复杂，仍然缺乏满足工业化生产需求的成熟工艺体系。在较低温下，通过简单的合成路线，安全的操作工艺，廉价的合成原料来制备多孔棒状氮化硼还是存在一定的难度。因此，发明结晶性良好、设备要求低、操作步骤简单、原料廉价、原料和反应过程安全、纯度高的多孔棒状六方氮化硼，于其工业化生产将具有重要意义。本课题组采用硼氢化钠与尿素在氮气、氨气气氛中高温煅烧制备了一维棒状结构BN材料(X.J.Yang,L.L.Li,X.H.Zhang,et al.2013.Adv Mater Res,631-632:78-81)。此方法对要求煅烧温度达到1300℃以上，能耗大，比表面积较小,为60.04m²/g，不适合做吸附材料和载体材料。为了能够使这种BN材料有更广泛的应用，我们在制备材料时加入了有机物，有机物物的加入降低了反应温度，并且在高温煅烧时以气体形式从BN材料中脱出，使材料出现了孔洞结构，从而使BN材料在吸附性能方面有进一步提升。

发明内容