一种氮化硼纳米管的制备方法技术

本发明专利技术为一种氮化硼纳米管的制备方法，该方法采用廉价的氧化硼粉替代了B作为硼源，经过与金属镁粉球磨之后制备出前驱体，在垂直感应加热炉中高温氨气氛围中制备纯相高长径比氮化硼纳米管。本发明专利技术本发明专利技术所采用的原料为氧化硼粉末与金属镁粉，均属于已经工业化生产的普通化工原材料，廉价易得，无毒。所合成的氮化硼纳米管纯度高、长径比大、缺陷少、形貌均一，方法无毒、可靠，适合规模化合成。所制备的氮化硼纳米管可在纳米电子学、电子散热元件、固体/液体润滑剂、纳米复合材料及高温结构部件等领域加以应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的技术方案涉及六方氮化硼纳米材料技术合成领域，具体为一种纯相高长径比六方氮化硼纳米管的合成方法。
技术介绍
六方氮化硼晶体的分子式是BN，是一种由氮(N)原子和硼(B)原子构成的类似石墨的层状结构材料，具有优良的电绝缘性，耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀、热导率高，被广泛的用于机械、冶金、电子、航空航天等高科技领域。氮化硼纳米管具有类似碳纳米管的一维纳米中空结构，由一层或者多层六方氮化硼层状结构卷曲而成。氮化硼纳米管具有与碳纳米管相媲美的力学性能和热传导性，并且具有比碳纳米管更优异的化学稳定性和抗氧化性能。同时，氮化硼纳米管为典型的宽禁带半导体材料，其带隙宽度为5.5eV,电学性能不随纳米管的管径和手性改变。这些性质决定了氮化硼纳米管在纳米电子学、电子散热元件、固体/液体润滑剂、纳米复合材料及高温结构部件等领域的广泛的应用前景。近年来，很多工作致力于合成氮化硼纳米管，制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、机械球磨法、碳纳米管置换法、化学气相沉积法等。Saito等人使用ZrB2作为电极，在高纯的氮气中采用电弧放电的方法合成了氮化硼纳米管(Y.Saito, M.Maida, T.Matsumoto, Jpn.J.Appl.Phys.1999，38，159)。这种方法的缺点在于所合成的氮化硼纳米管内有大量的金属催化剂颗粒存在，很难去除。Han等人采用碳纳米管置换法，利用碳纳米管作为模板，含硼化合物如硼酸、三氧化二硼为硼源，以过渡金属作为催化剂，在1300-1600°C通入氮气或氨气制备出氮化硼纳米管。这种方法所合成的氮化硼纳米管通常含有碳元素，很难得到纯相氮化硼产物(W.Han, Y.Bando, K.Kurashima, T.Sato, Appl.Phys.Lett.1998，73，3085)。Chen等人采用了机械球磨法，将硼粉在氨气气氛中球磨150小时之后在高温(>1000° C)氮气气氛中退火处理合成氮化硼纳米管。这种方法通常得到的是含有硼杂质的竹节型的氮化硼纳米管，并且球磨过程所需时间太长，耗时耗能(Y.Chen, M.Conway, J.S.Williams, J.Zou, J.Mater.Res.2002, 17, 1896)。Golberg 等人采用激光烧蚀法，用二氧化碳激光器在高压氮气气氛下轰击立方氮化硼晶体，制备出氮化硼纳米管。这种方法的缺陷在于所合成的氮化硼纳米管的长度仅有几百纳米，并且能耗高，产量很低，不适合推广和产业化(D.Golberg, Y.Bando, M.Eremets, K.Takemura, K.Kurashima, H.Yusa, Appl.Phys.Lett.1996, 69, 2045)。随后，Tang 等人米用了化学气相沉积法，利用硼粉和氧化镁为原料，在1300°C -1500° C的高温下与氨气反应合成氮化硼纳米管(C.Tang, Y.Bando, T.Sato, K.Kurashima, Chem.Commun., 2002, 1290 ; C.Y.Zhi, Y.Bando, C.Tang, D.Golberg, Solid State Commun.，2005，135，67)。这种方法是目前大批量合成氮化硼纳米管最有前景的方法之一，但是这种方法存在成本较高的缺点，限制了工业化的生产。CN101348242A公开了镁热还原制备氮化硼纳米管的方法，将氧化硼、镁和亚铁盐按摩尔比1:1~3:0.01~0.1混合研磨之后，加热到1200-1600° C，在氨气气氛中恒温1_5小时，待温度降到室温后经硝酸后处理得到氮化硼纳米管。该方法引入的亚铁盐会对降低氮化硼纳米管的纯度。到目前为止，还没有制备纯相高长径比氮化硼纳米管的低成本方法，严重制约着氮化硼纳米管的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对当前技术中存在的成本较高或者需要加入亚铁盐致使工艺复杂、含有杂质的不足，提供，该方法采用廉价的氧化硼粉替代了 B作为硼源，经过与金属镁粉球磨之后制备出前驱体，在高温氨气氛围中制备纯相高长径比氮化硼纳米管，以克服已有氮化硼纳米管的制备方法所得产物纯度低、长径比小、缺陷多、原材料昂贵等缺点。本专利技术的技术方案是:，包括如下步骤:(I)将氧化硼和金属镁按摩尔比1:0.8-1.2混合，在球磨机中球磨12-72小时，得到粒径2~5微米的固体粉末；( 2)将步骤(1 )中得到的固体粉末放置于垂直真空射频感应加热炉中，在保护气氛下从常温开始升温，升温速率为每分钟50-70°C，温度升到1200-1400°C时，通入280-320毫升/每分钟氨气，保温2-3小时，然后停止通入氨气，再在保护气氛下自然降温至室温，得到白色固体物质；(3)将步骤(2)中得到的固体，先用0.1N硝酸水溶液浸溃3-5小时，再用去离子水冲洗2-6次；(4)将步骤(3)中得到的白色固体放入80-100°C烘干箱中，保温4-8小时，最后得到氮化硼纳米管。所述的步骤(2)中所述的保护气氛为氩气、氖气或氮气。所述的步骤(2)中的保护气氛的气体流速为180-220毫升/每分钟。本专利技术的机理:原料氧化硼和金属镁经过球磨之后充分混合均匀，在垂直感应加热炉中，在保护气氛下经过快速升温，反应生成氧化镁和硼氧蒸气；在高温下，硼氧蒸气与通入的氨气发生反应，在金属镁的催化作用下生长出氮化硼纳米管。本专利技术的有益效果是:1.本专利技术方法所得到的产物为纯相高长径比的六方氮化硼纳米管。XRD谱图(图O的衍射强度很高，而且清晰、尖锐，没有其他杂相的衍射峰出现，表明所制备的产物是纯相的氮化硼纳米管；拉曼光谱图(图2)显示出单一的六方氮化硼的振动峰，进一步表明所制备的产物是纯相的六方氮化硼。SEM和TEM图(图3、图4和图5)显示所制备的氮化硼纳米管的直径约30-60纳米，长度约30-50微米，长径比高达500-1600，产物形貌均一，晶化程度高，缺陷少，纯度约90%。2.本专利技术所采用的原料为氧化硼粉末与金属镁粉，均属于已经工业化生产的普通化工原材料，廉价易得，无毒。3.本专利技术方法采用氧化硼为原料，金属镁粉作为催化剂，通过感应炉高温加热制得，对设备要求不高，克服了电弧放电法、激光烧蚀法、碳纳米管置换法等现有的合成技术对原料和设备的特殊要求，降低了能耗和生产成本。产物可以通过简单的酸洗进行提纯，易于操作。 4.本方法合成的氮化硼纳米管纯度高、长径比大、缺陷少、形貌均一，方法无毒、可靠，适合规模化合成。所制备的氮化硼纳米管可在纳米电子学、电子散热元件、固体/液体润滑剂、纳米复合材料及高温结构部件等领域加以应用。【附图说明】图1为实例I中氮化硼纳米管XRD谱图。图2为实例I中氮化硼纳米管的拉曼光谱图。图3为实例I中氮化硼纳米管扫描电子显微镜图。图4为实例I中氮化硼纳米管透射电子显微镜图。图5为实例I中氮化硼纳米管高分辨透射电子显微镜图。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施对本专利技术进一步说明。本专利技术实施例中使用的加热装置中的垂直真空射频感应加热炉为公知设备，如(Y.Huang, J.Lin, Chengchun Tang, et al., Nanotechnology, 2011, 22, 145602)。实施例1(I)将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硼纳米管的制备方法，其特征为包括如下步骤：（1） 将氧化硼和金属镁按摩尔比1:0.8‑1.2混合，在球磨机中球磨12‑72小时，得到粒径2～5微米的固体粉末；（2）将步骤（1）中得到的固体粉末放置于垂直真空射频感应加热炉中，在保护气氛下从常温开始升温，升温速率为每分钟50‑70℃，温度升到1200‑1400℃时，通入280‑320毫升/每分钟氨气，保温2‑3小时，然后停止通入氨气，再在保护气氛下自然降温至室温，得到白色固体物质；(3) 将步骤（2）中得到的固体，先用 0.1 N硝酸水溶液浸渍3‑5小时，再用去离子水冲洗2‑6次；(4) 将步骤（3）中得到的白色固体放入80‑100℃烘干箱中，保温4‑8小时，最后得到氮化硼纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硼纳米管的制备方法，其特征为包括如下步骤: (1)将氧化硼和金属镁按摩尔比1:0.8-1.2混合，在球磨机中球磨12-72小时，得到粒径2~5微米的固体粉末； (2)将步骤(1)中得到的固体粉末放置于垂直真空射频感应加热炉中，在保护气氛下从常温开始升温，升温速率为每分钟50-70°C，温度升到1200-1400°C时，通入280-320毫升/每分钟氨气，保温2-3小时，然后停止通入氨气，再在保护气氛下自然降温至室温，得到白色...

【专利技术属性】
技术研发人员：林靖，米姣，唐成春，黄阳，许璐璐，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12