B-C-N化合物在高溫高壓下的相演化及其性能研究.pdf

1、由于輕元素硼、碳、氮三元亞穩(wěn)材料可能具有介于碳和氮化硼之間的優(yōu)異性能，該類材料的研究己成為材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的前沿課題。 在本文中，我們以化學(xué)法制備的亂層石墨結(jié)構(gòu)B-C-N為前驅(qū)物，在5.5 GPa，800～1500℃條件下直接進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗(yàn)。采用X射線衍射(XRD)、X射線能譜(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)和電子能量損失譜(EELS)等分析手段對(duì)樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和成分分析，分析結(jié)果表明：B-C-N化合物屬于亞穩(wěn)相，溫

2、度對(duì)其相組成有很大影響。在5.5 GPa壓力下，溫度為800～1200℃時(shí)，隨著溫度的升高，B-C-N化合物的晶化程度逐漸提高，由亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)。在1200℃時(shí)，得到了晶粒細(xì)小、結(jié)晶較好的六方B-C-N化合物，同時(shí)樣品開(kāi)始發(fā)生相分解，樣品中含有少量的六方BN和非晶C。當(dāng)溫度高于1400℃時(shí)，B-C-N化合物完全分解成了六方BN和石墨。 以化學(xué)法制備的亂層石墨結(jié)構(gòu)B-C-N為前驅(qū)物，使用羰基Fe粉為觸媒，在5.5GPa

3、，1500～1600℃高溫高壓條件下合成了六方結(jié)構(gòu)的BC<,2>N化合物，其晶格常數(shù)為α=0.2487 nm、c=0.6637 nm。采用Materials Studio軟件中CASTEP子模塊推測(cè)了六方BC2N可能的結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果表明六方BC<,2>N不會(huì)以h-BN結(jié)構(gòu)堆垛方式存在，而是可能以石墨結(jié)構(gòu)堆垛方式排列，并且N原子位于相鄰層六角環(huán)的中心，其中最可能的是N原子位于相鄰層六角環(huán)的中心、相鄰層的B原子相對(duì)的堆垛結(jié)構(gòu)。采用高溫X射線

4、衍射測(cè)定了六方BC2N的熱膨脹。其測(cè)定結(jié)果表明：室溫～750℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，六方BC<,2>N化合物在口軸方向上呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，平均晶格線熱膨脹系數(shù)為α<,a>=-8.76×10<'-7>K<'-1>；在750～1000℃范圍內(nèi)，則呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，平均晶格線熱膨脹系數(shù)為α<,a>=1.52×10<'-6>K<'-1>。在室溫～1000℃范圍內(nèi)，在c軸方向上，始終呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，平均晶格線熱膨脹系數(shù)為α<,c>=35.86×10<'-

5、6>K<'-1>。采用非定溫?zé)嶂胤ê筒钍緬呙枇繜岱▽?duì)六方BC<,2>N的熱氧化穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明六方BC<,2>N化合物的熱氧化穩(wěn)定性高于石墨，但低于h-BN。采用Kissinger和Ozawa法估算得到六方BC<,2>N的表觀氧化活化能分別約為223.57和231.48．kJ/mol。 采用第一性原理研究了B<,2>CN晶體可能的層狀結(jié)構(gòu)和類六方金剛石結(jié)構(gòu)?？偰芰坑?jì)算結(jié)果表明AA堆垛的h-B<,2>CN-Ⅳ和w-B

6、<,2>CN-Ⅰ分別是層狀和類六方金剛石結(jié)構(gòu)中能量最低、最可能存在的結(jié)構(gòu)。電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度計(jì)算結(jié)果表明層狀和類六方金剛石結(jié)構(gòu)的B<,2>CN在費(fèi)米能級(jí)處均沒(méi)有帶隙，具有金屬性，其導(dǎo)電性主要在-B1-C-B1-C-鏈上。采用第一性原理研究了AA堆垛的層狀結(jié)構(gòu)B<,2>CN在高壓下的相變，結(jié)果表明，AA堆垛的層狀結(jié)構(gòu)B<,2>CN要轉(zhuǎn)變成高密度相需要很大的壓力(≥500GPa)，不加上高溫及合適的觸媒，合成出高密度相B<,2>CN是非常