[发明专利]六方氮化硼粉体及三维氮化硼的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机合成技术领域，具体涉及一种六方氮化硼粉体和三维结构的制备方法。

背景技术

纳米六方氮化硼是一种类石墨烯的二维材料，而同时也是一种性能优异并具有很大发展潜力的新型陶瓷材料，因其具有高温抗氧化性、耐辐射、高导热率、高温润滑性、介电性能和绝缘性能良好的特点，在冶金、航天航空、电子和核工业等领域有着广泛的应用。六方氮化硼粉体材料是基于二维的氮化硼纳米片通过空间交联形成的三维网状结构，除了具有二维氮化硼纳米片的性质，三维氮化硼纳米材料在空间导热，催化剂载体及吸声防震等方面具有更大的优势。

六方氮化硼在2500摄氏度于惰性气氛下仍能保持稳定，在850摄氏度于氧化性气氛下能够保持良好的稳定性。相较而言，三维石墨烯及其金属阵列框架在温度高于600度情况下会出现坍塌、分解、或者氧化，使得三维石墨烯材料应用领域受限。由于以上的优异性能，六方氮化硼在制备高导热陶瓷器件、高导热特种涂料、导热绝缘聚合物复合材料、耐高温固体润滑剂和润滑油脂添加剂等方面有巨大的应用前景。2013年，南京航空航天大学的郭万林组采用泡沫金属为模板制得低密度、高热稳定性等优异性能的三维氮化硼泡沫。但是泡沫金属的网络孔洞高达数百微米，在以此为模板制备的三维氮化硼泡沫，体积密度低，不利于其宏量制备。本发明用过渡金属单质或含过渡金属元素的化合物为原料，经过高温还原后，制备出多孔催化剂模板从而取代传统的泡沫金属模板，比采用泡沫金属作催化骨架得到的三维氮化硼孔隙率更高；此外，还可制备出宏量高质量的六方氮化硼粉体。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够快速、大量制备六方氮化硼粉体和三维氮化硼制备方法，所获的三维氮化硼空隙小、密度大。

本发明提供的六方氮化硼粉体及三维氮化硼的制备方法，是以过渡金属单质粉末或含过渡金属元素的化合物为催化剂，经过高温还原反应，制备出多孔金属催化剂骨架；再利用化学气相沉积法生长六方氮化硼，获得带有催化剂骨架的六方氮化硼粉体和三维氮化硼；其中，六方氮化硼粉体是指二维氮化硼纳米片互相搭接而成的三维网状粉体，纳米片长为10纳米-100微米，厚度为1纳米-10微米；三维氮化硼是指在用溶液刻蚀催化剂之前通过高分子保护后获得的六方氮化硼，具有高孔隙率的三维全联通网络结构，是由氮化硼纳米带相互连接的网络，密度为0.2毫克每立方厘米-100毫克每立方厘米。

该方法的具体步骤如下；

第一步，催化剂前处理：所述催化剂为过渡金属单质粉末和/或含过渡金属元素的化合物，将催化剂放置于反应容器内，或者将催化剂填充于大孔泡沫金属模板中，再置于反应容器内；反应容器抽真空或通入惰性气氛保护，并以1-100度每分钟速率升温至500-1500摄氏度加热催化剂所处的容器区域，通入氢气等还原性气氛，退火1分钟-10小时，得到多孔金属催化剂骨架；

第二步、生长氮化硼：将置于反应容器中的催化剂升温至反应温度（400-1200摄氏度），同时将反应源（即硼、氮源）通入催化剂区域（通过加热反应容器内的固态硼、氮源，或通入气态反应源，也可以通入携带反应源的气氛），生长时间为30秒-10小时,生长压力为1毫托-1个大气压；然后以1-100度每分钟的速率冷却至室温；得到带有催化剂骨架的六方氮化硼粉体；

第三步、后处理：将生长好的带有催化剂骨架的六方氮化硼粉体取出，放入到溶液中刻蚀催化剂，得到六方氮化硼粉体；或者，将生长好的氮化硼样品取出，采用高分子聚合物保护，而后放入到溶液中刻蚀催化剂，再除去高分子聚合物，则得到三维氮化硼。

本发明中，所述反应容器为石英管、刚玉管或其他可以进出气体的容器。

本发明中，所述惰性气氛为氮气、氩气等惰性气体中的一种或几种混合气体；还原性气氛为氢气或氢气与上述惰性气体的混合气体。

本发明中，所述过渡金属元素可选自但不限于镍、铜、钴、铂、铁或铷。所述过渡金属单质粉末粒径为0.1微米-100微米。所述含过渡金属元素的化合物可选自但不限于过渡金属氧化物、过渡金属盐或其水合物。

其中，对于过渡金属盐水合物，可以将其在50-300摄氏度烘干或微波加热去结晶水获得无水过渡金属盐或直接进行高温还原。

本发明中，所述反应源可以是固相硼、氮源，或者是气相硼、氮源，或者是液相硼、氮源，所述的固相硼、氮源可选自但不限于：硼烷氨等含硼、氮的化合物；气相硼、氮源包括乙硼烷、氯化硼、氮气、氨气等含硼、氮的气体的一种或几种混合；硼、氮来源还可以以含硼、氮的液体（如无机苯）通过惰性气体带入反应容器提供硼、氮源。