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領域中一個重要的前沿課題。 在本文中，我們以化學法制備的亂層石墨結構B-C-N為前驅物，在5.5 GPa，800～1500℃條件下直接進行高溫高壓實驗。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)等分析手段對樣品進行了結構和成分分析，分析結果表明：B-C-N化合物屬于亞穩(wěn)相，溫

2、度對其相組成有很大影響。在5.5 GPa壓力下，溫度為800～1200℃時，隨著溫度的升高，B-C-N化合物的晶化程度逐漸提高，由亂層石墨結構轉變?yōu)榱浇Y構。在1200℃時，得到了晶粒細小、結晶較好的六方B-C-N化合物，同時樣品開始發(fā)生相分解，樣品中含有少量的六方BN和非晶C。當溫度高于1400℃時，B-C-N化合物完全分解成了六方BN和石墨。 以化學法制備的亂層石墨結構B-C-N為前驅物，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構的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子模塊推測了六方BC2N可能的結構，計算結果表明六方BC<,2>N不會以h-BN結構堆垛方式存在，而是可能以石墨結構堆垛方式排列，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原子相對的堆垛結構。采用高溫X射線

4、衍射測定了六方BC2N的熱膨脹。其測定結果表明：室溫～750℃范圍內，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，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，則呈現(xiàn)膨脹趨勢，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，在c軸方向上，始終呈現(xiàn)膨脹趨勢，平均晶格線熱膨脹系數(shù)為α<,c>=35.86×10<'-

5、6>K<'-1>。采用非定溫熱重法和差示掃描量熱法對六方BC<,2>N的熱氧化穩(wěn)定性進行了研究。研究結果表明六方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晶體可能的層狀結構和類六方金剛石結構?？偰芰坑嬎憬Y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構中能量最低、最可能存在的結構。電子能帶結構和態(tài)密度計算結果表明層狀和類六方金剛石結構的B<,2>CN在費米能級處均沒有帶隙，具有金屬性，其導電性主要在-B1-C-B1-C-鏈上。采用第一性原理研究了AA堆垛的層狀結構B<,2>CN在高壓下的相變，結果表明，AA堆垛的層狀結構B<,2>CN要轉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