[发明专利]粉末状B－C－N前驱物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉末状B-C-N前驱物及其制备方法。

背景技术

硼碳氮材料有可能成为新型的超硬材料，并可能具有半导体或半金属等物理性能，因此，轻元素B-C-N化合物的合成一直倍受人们的关注。多年来，人们研究的结果显示，在合成B-C-N化合物的过程中有两个较大的难题：1.制备出成分适当的硼碳氮三元前驱物，在制备过程中如何控制实验条件来防止硼碳氮三元前驱物发生分相现象，即获得的前驱物不能分解为BN和C；2.采用何种极端条件将这种硼碳氮三元前驱物转变为晶态材料，且在转变过程中不发生分相现象。因此，制备出合适的前驱物是能否得到成分确定的晶态硼碳氮化合物的关键之一。近年来，人们采用化学法、机械合金化等方法，试图合成出结构和成分适当的B-C-N前驱物，并期望用其来合成出结晶性好的B-C-N化合物。就目前的研究成果来看，采用化学法直接获得的前驱物中，各元素虽然形成了化学结合，但元素比例控制比较困难。发明人曾经以三聚氰胺和硼酸为原料，化学法制备出B-C-N前驱物，此方法制备的前驱物各元素比例始终保持在B∶C∶N≈2∶1∶1，很难改变。此外，采用这种方法大多使用合成氮化硼的原料，添加含有碳元素的其他材料进行化合。但是，由于硼碳氮材料是亚稳材料，其稳定性明显低于氮化硼，因此在合成过程中，会更容易得到氮化硼。采用机械合金化(也有人称为球磨法)制备的前驱物，实际上只是将石墨和六方氮化硼进行细化和混合的产物。也就是说，球磨后的产物中，细小的颗粒仍然是石墨和六方氮化硼，两者并未产生法学结合。而且此种方法受球磨罐体和所用球材料的影响很大。比如，使用不锈钢材质的球和罐进行机械合金化，样品中会掺杂一定量的铁元素。可想而知，使用这两种方法获得的前驱物来制备B-C-N化合物都有一定的困难。Cyril Popov等曾经以三聚氰胺和三氯化硼为原料经400～600℃热解反应以及退火处理来制备硼碳氮化合物，但其中含有杂质氢元素，且制备的样品为层状结构，结晶性较差。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种粉末状B-C-N前驱物及其制备方法，该制备方法相对简单，造价比较低廉；制备过程中，可以改变实验参数来控制各元素的含量。

这种粉末状B-C-N前驱物，其化学成分为：B2～30at％，C30～60at％，N10～35at％；粉末状B-C-N前驱物为非晶结构，外观为黑色粉末状，可用于高温高压下制备B-C-N化合物。

粉末状B-C-N前驱物的制备方法如下：

(1)将三聚氰胺热解产物放在如附图所示加热设备中，所述三聚氰胺热解产物的成分为：C20～40at％，N30～50at％、H18～25at％。

(2)在5～15Pa的气压下，用电阻炉对样品加热到500～600℃时，通入气态三氯化硼，上述气体通入速率为5～15sccm，保持此气流15～30分钟；

(3)停止通入气体后保温30～60分钟，冷却至室温；整个实验过程中产生的气体通过气体过滤回收装置回收，防止对环境产生污染；BCl₃气体参与反应时间越长，产物的B含量越高；

(4)将获得的上述产物放在真空碳管炉内，在氮气保护下加热至1400～1600℃，后冷却至室温，即制备出黑色粉末状B-C-N前驱物；在高温处理过程中温度越高，保温时间越长，产物中的C含量越高N含量越低。

本发明制备的碳氮化合物的前驱物，即含有少量氢元素的三聚氰胺热解产物，在热解的过程过通入含有硼元素的三氯化硼气体，经过500～600℃和1400～1600℃两步高温热解，除去了样品中的杂质，制备出所需的粉末状B-C-N前驱物。在热解和高温处理过程中，改变实验参数，可以控制元素比例。