[发明专利]β－C3N4超硬材料爆炸冲击合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬材料的合成加工方法，具体为一种β-C₃N₄超硬材料爆炸冲击合成方法。

背景技术

目前在(加工制造等领域)广泛使用的硬质材料有氮化钛、金刚石等。金刚石有极高的硬度，金刚石来源于天然矿物或者人工制造，天然的金刚石稀少珍贵，所以加工制造业普遍使用的为人造金刚石，其制备工艺复杂，易与铁基合金发生反应，热稳定性极差，不仅价格昂贵，而且不能用来切削钢铁，当金刚石在空气中温度超过700℃，会生成二氧化碳。因而，在工业部门，尤其在加工汽车轮胎的滚齿刀、插齿刀等高精度非重刀具方面，已普遍采用高速钢镀氮化钛工艺。氮化钛镀膜工艺简单，化学稳定性和热稳定性都超过金刚石，但其硬度只有金刚石的四分之一，耐磨性较差。

1989年，Liu和Cohen以β-Si₃N₄结构为原型，用C原子替代β-Si₃N₄中Si的位置，提出了β-C₃N₄结构，经理论计算，结果表明这种化合物的体弹性模量与金刚石相当。Jennifer L.Corkill等人计算了β-C₃N₄的平面波局域密度近似的能带结构，预测这种化合物具有高温宽带隙特性，可以作为高温宽带隙半导体材料，可用于制作蓝紫光、紫外发光器件和蓝紫光半导体激光器。其它的理论计算还表明，这种材料还可能具有高绝缘、高导热、高折射率等独特性能，在力学、热学、光学和电学等相关领域都具有广阔的应用前景。

因此，C-N材料是一种最新型的、具备氮化钛的化学和热稳定性等一切优点的理想超硬材料，其硬度已接近金刚石，将成为取代金刚石和氮化钛最理想的材料。可以作为各种工业产品和特种机件的表面抗磨损涂层和抗高温高压层，使产品经久耐用，延长使用寿命。由于其热导性能好，可以在制作超大规模集成电路中发挥特殊作用，促进微电子技术和计算机技术的发展。氮化碳还可以用于开发各种新型的高热导率器件。此外，氮化碳的结构对称性等特点使其具有很大的非线性光学系数，能够实现光频变换，因此，在激光技术的发展中将起到十分重要的作用。

C-N系列的C₃N₄，Liu和Cohen预言它的硬度可能超过了金刚石，成为当今世界首屈一指的超硬材料。目前世界上许多小组在进行这方面的研究探索。碳氮化合物的实验合成具有两个方面的意义：理论预测中硬度以及其它方面的优良性能，预示着碳氮化合物有可能作为一种重要的新型功能材料，在各个领域都具有广阔的应用前景；另一方面，作为第一种完全通过理论预测提出的材料，宏观尺度碳氮晶体实验合成的成功，标志着新材料合成由传统的经验、半经验探索到在理论指导下进行的跨越，将会成为材料科学发展史上的一块里程碑。

1990年，日本T.Seline等人采用含N有机物Tetracyan-oethylene(C₆N₄)和1，3，5-triazine(C₃H₃N₃)于1400℃、5GPa下进行高温高压裂解，Tetracyano-ethylene裂解产物中含有类石墨结构的C_4.66N物质，N含量由40at％降为17.7at％。1996年，美国宾夕法尼亚的J.V Badding和加利福尼亚(California)大学的J.H.Nguyen分别采用金刚石对顶砧的方法，对C和N混合物进行2000-2500K，30±(5)GPa的高温高压试验，获得了一种立方相碳氮化合物。台湾Chiao Tung大学的Tiers-Rong Lu将钠酞胺和氯仿置于N₂气中进行光化学反应，随后对产物加热至800℃处理，获得了N/C比为0.23的包含有α-C₃N₄相的粉末。近年来，法国的I.Alves，H.Montigaud等人对三聚氰胺(C₃N₆H₆)于N₂或含N有机溶剂中进行热解和随后的3GPa，800℃左右的高压处理，获得的产物多为类石墨型结构的碳氮粉末，N/C比最高可达1.55，但硬度较低。