一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法技术

本发明专利技术公开一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，制备步骤包括：1)以聚丙烯腈纤维为纳米纤维模板；2)采用氢化铝锂将腈基还原为氨基；3)采用三氯硼吖嗪与氨基反应生产氮化硼；4)通过高温处理获得最终的BCN纳米陶瓷纤维。与现有纳米陶瓷纤维相比，本发明专利技术提供的BCN纳米陶瓷纤维制备方法工艺流程简单，不需要纺丝成形设备，避免了敏感BCN陶瓷先驱体合成与纺丝对环境的苛刻要求；同时，本发明专利技术提供的BCN纳米陶瓷纤维的单丝直径为50～500nm，密度为0.1～0.2mg/cm

Preparation of BCN nano-ceramic fibers

The invention discloses a preparation method of BCN nano-ceramic fiber, which comprises the following steps: 1) using polyacrylonitrile fiber as nano-fiber template; 2) reducing nitrile group to amino group by lithium aluminium hydride; 3) producing boron nitride by reaction of acrylic chloride with amino group; 4) obtaining final BCN nano-ceramic fiber by high temperature treatment. Compared with the existing nano-ceramic fibers, the preparation process of the BCN nano-ceramic fibers provided by the invention is simple and does not require spinning forming equipment, thus avoiding the harsh environmental requirements for the synthesis and spinning of sensitive BCN ceramic precursors; meanwhile, the monofilament diameter of the BCN nano-ceramic fibers provided by the invention is 50-500 nm, and the density is 0.1-0.2 mg/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法
本专利技术涉及纳米陶瓷纤维
，尤其是一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法。
技术介绍
陶瓷材料是非常稳定的无机非金属材料，通过组成结构设计可以获得特殊的性能或功能。三元硼碳氮(BCN)陶瓷主要由B、C、N三种元素组成，通常具有与BN相似的六方和立方型结构，六方BCN具有特殊的导电导热性能，一般具有半导体性质；立方BCN具有高的硬度和耐磨性，是一种新型的超硬材料。通过合成方法或者工艺过程能够调控BCN的成分，从而赋予这种陶瓷材料特殊电学、光学、热学和机械性能，应用于新型高温半导体、激光二极管与探测器、光催化剂、电极材料、耐磨损材料、涂层材料等，是高端电子产业和军工装备的关键材料。纳米陶瓷纤维有多种成型方法，如静电纺丝法、熔喷法以及闪纺法等，可以直接制成非织造布或者三维纳米堆积体，得到气凝胶。但是，这些常用方法一般用于碳纳米纤维、氧化物纳米纤维等，目前仅有少数文献报道了BCN、SiBCN等纳米陶瓷纤维。因为BCN、SiBCN纳米纤维的原料对空气和水分比较敏感，需要苛刻的原料合成和纺丝成形设备，尤其是要求无水无氧的纺丝环境，工艺复杂，操作难度较大。
技术实现思路
本专利技术提供一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，用于克服现有技术中工艺复杂、直接纺丝成形困难等缺陷，实现工艺简单的模板法制备BCN纳米陶瓷纤维，且所制得的BCN纳米陶瓷纤维可用作优良的隔热材料和吸波材料。为实现上述目的，本专利技术提出一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：S1：将聚丙烯腈纳米纤维置于容器中，之后将容器内的空气置换为惰性气氛；S2：向步骤S1中的容器中注入氢化铝锂的四氢呋喃溶液，经室温反应后，加入乙醇水溶液；S3：再向步骤S2中的容器中注入三氯硼吖嗪和吡啶，静止室温反应；S4：将步骤S3的产物纤维取出，置于管式炉中，在惰性气氛下升温至1300～1500℃，之后自然降温至室温，得到所述BCN纳米陶瓷纤维。为实现上述目的，本专利技术还提出一种BCN纳米陶瓷纤维，所述BCN纳米陶瓷纤维由上述制备方法制备得到；所述BCN纳米陶瓷纤维的单丝直径为50～500nm，密度为0.1～0.2mg/cm3，热导率为20～30W/m·K，介电常数为8～12。与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：1、本专利技术提供的BCN纳米陶瓷纤维制备方法，将聚丙烯腈纳米纤维依次通过氢化铝锂还原、液相或气相化学合成，进一步在惰性气氛中无机化得到BCN纳米陶瓷纤维，工艺简单，易于操作。2、本专利技术提供的BCN纳米陶瓷纤维的单丝直径为50～500nm，密度为0.1～0.2mg/cm3，热导率为20～30W/m·K，介电常数为8～12,可用作优良的隔热材料和吸波材料。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术BCN纳米陶瓷纤维制备技术路线图；图2为实施例一制备得到的BCN纳米陶瓷纤维SEM图；图3为实施例一制备得到的BCN纳米陶瓷纤维X-射线能谱。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。本专利技术提出一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，请参照图1，包括以下步骤：S1：以聚丙烯腈纤维为纳米纤维模板，将聚丙烯腈纳米纤维置于容器中，之后将容器内的空气置换为惰性气氛；S2：采用氢化铝锂将腈基还原为氨基，向步骤S1中的容器中注入氢化铝锂的四氢呋喃溶液，经室温反应后，加入乙醇水溶液，除去容器内液体；S3：采用三氯硼吖嗪与氨基反应生产氮化硼，再向步骤S2中的容器中注入三氯硼吖嗪和吡啶，静止室温反应；S4：通过高温处理获得最终的BCN纳米陶瓷纤维，将步骤S3的产物纤维取出，置于管式炉中，在惰性气氛下升温至1300～1500℃，之后自然降温至室温，得到所述BCN纳米陶瓷纤维。优选地，所述步骤S1中，所述容器为带有注入口的可封闭容器，可以为可封闭的玻璃容器、陶瓷容器、聚氯乙烯容器等；所述惰性气体为氮气、氩气或氦气，避免聚丙烯腈纤维与反应气氛中的成分反应。优选地，所述步骤S2中，所述氢化铝锂的四氢呋喃溶液的注入量需满足：每1g所述聚丙烯腈纳米纤维加入氢化铝锂的物质的量为0.002～0.01mol，保证腈基完全被还原为氨基；所述乙醇水溶液的加入量需满足：每1g所述聚丙烯腈纳米纤维加入乙醇水溶液10mL，避免大量水与氢化铝锂的剧烈反应，引发爆炸或燃烧；所述室温反应的时间为2.5～3.5h，使反应完全。优选地，所述氢化铝锂的四氢呋喃溶液的物质的量浓度为0.5mol/L；所述乙醇水溶液中乙醇的体积分数为95％，合适浓度的试剂既不浪费试剂、降低成本，又能保证最终产品的质量。优选地，所述步骤S3中，所述三氯硼吖嗪和所述氢化铝锂的物质的量之比为3：10，保证三氯硼吖嗪中的B元素被完全引入到所制备的产物中；所述室温反应的时间为2.5～3.5h，使得反应完全。优选地，每1g所述聚丙烯腈纤维需加入所述吡啶的体积为10mL，中和反应生成的副产物HCl。优选地，所述步骤S4中，所述惰性气氛为氮气，避免反应气氛影响产物的质量；所述升温速率为2～5℃/min，>5℃/min时会造成纤维粉化而得不到纳米纤维。优选地，所述惰性气氛为流动的，流量为50mL/min，保证反应气氛的纯净，避免影响产品质量。本专利技术还提出一种BCN纳米陶瓷纤维，所述BCN纳米陶瓷纤维由上述方法制备得到；所述BCN纳米陶瓷纤维的单丝直径为50～500nm，密度为0.1～0.2mg/cm3，热导率为22～25W/m·K，介电常数为8～12，可用作优良的隔热材料和吸波材料。SEM电镜仪器型号日本日立公司生产的S-4800型扫描电子显微镜，测试前采用LZ-Ⅱ型离子溅射仪对样品进行喷金处理；X-射线能谱仪器型号及必要测试条件：采用ThermoSCIENTIFICESCALAB250Xi光电子能谱仪采集样品的XPS能谱。测试条件为：使用单色化的AlKα作为射线源(1486.6eV)，分析腔气压<10-8Torr。；密度仪器型号及必要测试条件：把纳米纤维收集在1cm3的容器内，用十万分之一精度的电子天平(梅特勒-托利多公司生产的XS205DU)称重后，计算得到密度；热导率仪器型号及必要测试条件：采用耐驰仪器NetschLFA447型激光闪射仪测试热导率；介电常数仪器型号及必要测试条件：与石蜡混合后制成测试样品，采用安捷伦4396型阻抗分析仪进行测试。实施例一本实施例提供一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：S1：将30g聚丙烯腈纳米纤维置于带封口的玻璃三角烧瓶，之后将玻璃容器内空气置换为氮气；S2：向步骤S1中的玻璃容器中注入120mL浓度为0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将聚丙烯腈纳米纤维置于容器中，之后将容器内的空气置换为惰性气氛；S2：向步骤S1中的容器中注入氢化铝锂的四氢呋喃溶液，经室温反应后，加入乙醇水溶液；S3：再向步骤S2中的容器中注入三氯硼吖嗪和吡啶，静止室温反应；S4：将步骤S3的产物纤维取出，置于管式炉中，在惰性气氛下升温至1300～1500℃，之后自然降温至室温，得到所述BCN纳米陶瓷纤维。

【技术特征摘要】
1.一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将聚丙烯腈纳米纤维置于容器中，之后将容器内的空气置换为惰性气氛；S2：向步骤S1中的容器中注入氢化铝锂的四氢呋喃溶液，经室温反应后，加入乙醇水溶液；S3：再向步骤S2中的容器中注入三氯硼吖嗪和吡啶，静止室温反应；S4：将步骤S3的产物纤维取出，置于管式炉中，在惰性气氛下升温至1300～1500℃，之后自然降温至室温，得到所述BCN纳米陶瓷纤维。2.如权利要求1所述的一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述容器为带有注入口的可封闭容器；所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。3.如权利要求1所述的一种BCN纳米陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述氢化铝锂的四氢呋喃溶液的注入量需满足：每1g所述聚丙烯腈纳米纤维加入氢化铝锂的物质的量为0.002～0.01mol；所述乙醇水溶液的加入量需满足：每1g所述聚丙烯腈纳米纤维加入乙醇水溶液10mL；所述室温反应的时间为2.5～3.5h。4.如权利要求2～3所述的一种B...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵长伟，纪小宇，张帅，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43