CN103910344B - 六方氮化硼的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六方氮化硼的制备方法，包括将硼源和氮源混合均匀，得到硼源和氮源的混合物，其中，所述硼源为硼酸、偏硼酸或氧化硼，所述氮源为三聚氰胺、氯化铵、溴化铵或尿素；在保护气体气氛中，将所述混合物加热至500℃～900℃，并于500℃～900℃下保温5小时～20小时；及将保温后的所述混合物进行研磨，得到所述六方氮化硼的步骤。上述六方氮化硼的制备方法所使用的硼源和氮源均为易分解、残留较少的材料，避免了使用金属硼化物引入金属杂质粒子和后续繁琐的酸洗、水洗步骤，工艺简单，反应后进行研磨即可使用，且无需高温下进行反应，能耗低，生产成本低。

Description

六方氮化硼的制备方法

技术领域

本发明涉及功能材料制备技术领域，特别是涉及一种六方氮化硼的制备方法。

背景技术

六方氮化硼是一种类石墨结构的无机材料，它由于具有耐高温、高导热率、耐辐射、耐腐蚀、高温润滑及优异的低介电和绝缘性能，因此在各个重要领域，如电子封装产业、宇航、国防及核工业都有着较好的应用。高纯度微米级六方氮化硼粉末，尤其是在制备高导热绝缘复合材料、低热膨胀系数底填复合材料及低介电电子基板材料等方面均有巨大的应用前景。

已知合成六方氮化硼材料的方法较多，然而方法上存在几个对产业化不利的缺陷：

(1)超高的温度(1000℃以上)增大了能源的浪费和工业成本；

(2)杂质的引入导致产品不纯，需要进行繁琐的后续酸洗、水洗、过滤及烘干工艺，会导致生产工艺变得复杂。这种杂质的引入往往有两种，一是使用硼源及氮源引入的杂质原子，如钠、钙、钾等金属原子。二是生产工艺中所添加的组分，如生产过程中需要利用到镁粉作为还原剂，因此在后续工艺中需要用质量浓度为10％的稀盐酸和去离子水反复洗涤，且后续需要在120℃下长时间烘干。或者，需要使用氯化钠、硫酸钙、碳酸钙等结晶助剂，因此后续工艺中同样需要类似工艺的酸洗、水洗和烘干步骤。

发明内容

基于此，有必要提供一种工艺简单、无需高温的六方氮化硼的制备方法。

一种六方氮化硼的制备方法，包括如下步骤：

将硼源和氮源混合均匀，得到硼源和氮源的混合物，其中，所述硼源为硼酸、偏硼酸或氧化硼，所述氮源为三聚氰胺、氯化铵、溴化铵或尿素；

在保护气体气氛中，将所述混合物加热至500℃～900℃，并于500℃～900℃下保温5小时～20小时；及

将保温后的所述混合物进行研磨，得到所述六方氮化硼。

在其中一个实施例中，所述硼源和氮源的摩尔比为1∶1～40。

在其中一个实施例中，所述将硼源和氮源混合均匀的步骤具体为：将所述硼源和氮源进行固相研磨混合均匀。

在其中一个实施例中，所述将硼源和氮源混合均匀的步骤具体为：将硼源和氮源进行混合后加入溶剂，搅拌，使硼源和氮源混合均匀，并进行干燥。

在其中一个实施例中，所述将硼源和氮源混合均匀的步骤之前，还包括将所述硼源和氮源进行干燥的步骤。

在其中一个实施例中，所述进行干燥的步骤是将所述硼源和氮源于60℃～100℃下干燥6小时～24小时。

在其中一个实施例中，所述在保护气体气氛中，将所述混合物加热至500℃～900℃的步骤中，升温速率为5℃／min～20℃／min。

在其中一个实施例中，所述在保护气体气氛中，将所述混合物加热至500℃～900℃，并于500℃～900℃下保温5小时～20小时的步骤中，将所述混合物加热至600℃～800℃，并于600℃～800℃下保持8小时～15小时。

上述六方氮化硼的制备方法所使用的硼源和氮源均为易分解、残留较少的材料，避免了使用金属硼化物引入金属杂质粒子和后续繁琐的酸洗、水洗步骤，工艺简单，反应后进行研磨即可使用，且无需高温下进行反应，能耗低，生产成本低。

附图说明

图1为一实施方式的六方氮化硼的制备方法的流程图；

图2～图5为实施例1制备的六方氮化硼的扫描电镜图；

图6为标准六方氮化硼的XRD谱图；

图7为实施例1制备的六方氮化硼的XRD谱图；

图8为实施例1制备的六方氮化硼与标准六方氮化硼的FT-IR对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参阅图1，一实施方式的六方氮化硼的制备方法，包括如下步骤s110～步骤S130。

步骤s110：将硼源和氮源混合均匀，得到硼源和氮源的混合物，其中，硼源为硼酸、偏硼酸或氧化硼，氮源为三聚氰胺、氯化铵、溴化铵或尿素。

上述硼源和氮源均为易分解的物质，使得后续反应无需在高温下进行，且硼源和氮源分解后，硼元素和氮元素反应生成氮化硼，杂质残留较少。并且，上述硼源和氮源的价格较低，有利于降低六方氮化硼的制备成本。

优选地，硼源和氮源的摩尔比为1∶1～40。选用上述摩尔比1∶1～40，有利于生成标准的六方的氮化硼。更优选地，硼源和氮源的摩尔比为1∶1～15。

在一实施方式中，将硼源和氮源混合均匀的步骤具体为：将硼源和氮源进行固相研磨混合均匀。

在另一实施方式中，将硼源和氮源进行混合后加入溶剂，搅拌，使硼源和氮源混合均匀，并进行干燥。

溶剂选用易除去的溶解，如乙醇、水等。优选地，溶剂的体积与硼源和氮源的质量之和的比值为20mL～50mL∶10g～23g。

优选地，将硼源和氮源进行混合均匀之前，还包括分别将硼源和氮源进行干燥的步骤。分别将硼源和氮源于60℃～100℃下干燥8小时～24小时后，再进行混合均匀。

进行干燥后再称取并使用硼源和氮源，以免由于硼源和氮源吸收水分而导致原料配比不准，从而影响生产的可靠性。

步骤S120：在保护气体气氛中，将混合物加热至500℃～900℃，并于500℃～900℃下保温5小时～20小时。

保护气体气氛为氮气或惰性气体形成的气氛。惰性气体为氩气或氦气等。在保护气体气氛中进行反应，以隔绝氧气。

优选地，将混合物加热至600℃～800℃，并于600℃～800℃下保持8小时～15小时。

优选地，加热过程中，升温速率为5℃／min～20℃／min。采用该升温速率有利于生成纯度较高的六方氮化硼。

步骤S130：将保温后的混合物进行研磨，得到六方氮化硼。

将该混合物于500℃～900℃下保温5小时～20小时后，生成六方氮化硼，为了进一步降低六方氮化硼的粒度，进行研磨，得到符合粒度要求的六方氮化硼。

经上述步骤s110和步骤S120生成的产物的纯度很高，无需经过繁琐的分离纯化步骤，经过简单的研磨后即可使用。工艺简单，制备效率高。

上述六方氮化硼的制备方法所使用的硼源和氮源均为易分解、残留较少的材料，避免了使用金属硼化物引入金属杂质粒子和后续繁琐的酸洗、水洗步骤，工艺简单，反应后研磨即可使用，所生成的六方氮化硼的纯度较高；并且，无需高温下进行反应，能耗低，对设备要求低，生产成本低。

上述六方氮化硼的制备方法无需使用催化剂、结晶助剂等助剂，有利于降低成本。

以下通过具体实施例进一步阐述。

实施例1

制备六方氮化硼

1、配料：利用电子天平分别称取硼酸5g和三聚氰胺20g，将硼酸和三聚氰胺于80℃下干燥24小时，待用；

2、混匀：使用固相研磨的方式，将硼酸和三聚氰胺充分混匀，得到硼源和氮源的混合物，将硼源和氮源的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氩气气氛下，以8℃／min的升温速率升温至600℃，并在600℃下保持12个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

由图2～图5可以看出，实施例1制备的六方氮化硼粉末由1-3微米左右片状和纳米级小颗粒而组成。

由图6和图7可看出，实施例1制备的六方氮化硼与标准六方氮化硼相比，都具有位于267°的h-BN(002)晶面以及位于415°的h-BN(100)晶面，因此可以证明实施例1制备的产品为六方氮化硼，然而峰的形状和强度差异较大，主要是因为标准六方氮化硼为微米片状，暴露的(002)面较多。

由图8可以看出，实施例1制备的六方氮化硼与标准六方氮化硼的红外峰位置及其强度基本吻合，谱图中位于814和1375cm^-1处的峰由B-N键的弯曲振动引起，这两个峰在实施例1制备的六方氮化硼和标准六方氮化硼中均有明显体现，并且都不具有其他杂质的信号，因此结合SEM和XRD分析，完全可以判断实施例1制备的产品为六方相氮化硼。

实施例2

制备六方氮化硼

1、配料：利用电子天平分别称取偏硼酸3g和尿素8g，将偏硼酸和尿素于90℃下干燥24小时，待用；

2、混匀：将偏硼酸和尿素进行混合后加入20ml水，充分搅拌2h，然后烘干，得到偏硼酸和尿素的混合物，将偏硼酸和尿素的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氩气气氛下，以8℃／min的升温速率升温至800℃，并在800℃下保持9个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

实施例3

1、配料：利用电子天平分别称取氧化硼4g和氯化铵9g，将氧化硼和氯化铵于60℃下干燥24小时，待用；

2、混匀：将氧化硼和氯化铵进行混合后加入20ml水，充分搅拌6h，然后烘干，得到氧化硼和氯化铵的混合物，将氧化硼和氯化铵的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氮气气氛下，以8℃／min的升温速率升温至700℃，并在700℃下保持11个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

实施例4

1、配料：利用电子天平分别称取硼酸6g和溴化铵23g，将硼酸和溴化铵于60℃下干燥24小时，待用；

2、混匀：使用固相研磨的方式，将硼酸和溴化铵充分混匀，得到硼酸和溴化铵的混合物，将硼酸和溴化铵的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氩气气氛下，以8℃／min的升温速率升温至500℃，并在500℃下保持14个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

实施例5

1、配料：利用电子天平分别称取氧化硼4g和溴化铵13g，将氧化硼和溴化铵于60℃下干燥24小时，待用；

2、混匀：使用固相研磨的方式，将氧化硼和溴化铵充分混匀，得到氧化硼和溴化铵的混合物，将氧化硼和溴化铵的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氮气气氛下，以8℃／min的升温速率升温至900℃，并在900℃下保持9个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

实施例6

1、配料：利用电子天平分别称取硼酸4g和溴化铵19g，将硼酸和溴化铵于70℃下干燥18小时，待用；

2、混匀：将硼酸和溴化铵进行混合后加入50ml水，搅拌3h混匀后，烘干，得到硼酸和溴化铵的混合物，将硼酸和溴化铵的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氮气气氛下，以18℃／min的升温速率升温至900℃，并在900℃下保持10个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

实施例7

1、配料：利用电子天平分别称取偏硼酸6g和氯化铵3664g，将偏硼酸和氯化铵于100℃下干燥8小时，待用；

2、混匀：将偏硼酸和氯化铵进行混合后加入50ml水，充分搅拌5h，然后烘干，得到偏硼酸和氯化铵的混合物，将偏硼酸和氯化铵的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氮气气氛下，以5℃／min的升温速率升温至500℃，并在500℃下保持20个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

实施例8

1、配料：利用电子天平分别称取硼酸4g和尿素480485g，将硼酸和尿素于80℃下干燥20小时，待用；

2、混匀：使用固相研磨的方式，将硼酸和尿素充分混匀在一起，得到硼源和氮源的混合物，将硼源和氮源的混合物装入坩埚中；

3、反应过程：将坩埚置于管式炉中，并设置好管式炉参数，在氮气气氛下，以20℃／min的升温速率升温至900℃，并在900℃下保持15个小时，然后进行研磨得到六方氮化硼。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种六方氮化硼的制备方法，包括如下步骤：

将硼源和氮源混合均匀，得到硼源和氮源的混合物，其中，所述硼源为硼酸、偏硼酸或氧化硼，所述氮源为三聚氰胺、氯化铵、溴化铵或尿素；

在保护气体气氛中，将所述混合物加热至600℃～800℃，并于600℃～800℃下保温8小时～15小时；及

将保温后的所述混合物进行研磨，得到所述六方氮化硼；

所述在保护气体气氛中，将所述混合物加热至600℃～800℃的步骤中，升温速率为5℃/min～20℃/min。

2.根据权利要求1所述的六方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述硼源和氮源的摩尔比为1:1～40。

3.根据权利要求1所述的六方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述将硼源和氮源混合均匀的步骤具体为：将所述硼源和氮源进行固相研磨混合均匀。

4.根据权利要求1所述的六方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述将硼源和氮源混合均匀的步骤具体为：将硼源和氮源进行混合后加入溶剂，搅拌，使硼源和氮源混合均匀，并进行干燥。

5.根据权利要求1所述的六方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述将硼源和氮源混合均匀的步骤之前，还包括将所述硼源和氮源进行干燥的步骤。

6.根据权利要求5所述的六方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述进行干燥的步骤是将所述硼源和氮源于60℃～100℃下干燥8小时～24小时。