CN112744824B - 一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法 - Google Patents

一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112744824B
CN112744824B CN202110068029.3A CN202110068029A CN112744824B CN 112744824 B CN112744824 B CN 112744824B CN 202110068029 A CN202110068029 A CN 202110068029A CN 112744824 B CN112744824 B CN 112744824B
Authority
CN
China
Prior art keywords
transition metal
diboride
metal diboride
nanoneedle array
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110068029.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112744824A (zh
Inventor
朱品文
邢晨
甘泉
张帅
成嘉恩
董书山
李洪宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN202110068029.3A priority Critical patent/CN112744824B/zh
Publication of CN112744824A publication Critical patent/CN112744824A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112744824B publication Critical patent/CN112744824B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/02—Boron; Borides
    • C01B35/04—Metal borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Polymers With Sulfur, Phosphorus Or Metals In The Main Chain (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明的一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法属于硬质导体纳米针阵列疏水材料制备的技术领域。以过渡金属二硼化物粉末为原料，压成圆柱状，利用六面顶压机在5GPa、1600℃下保温保压90min，然后冷却卸压，将样品取出，放入酸中浸泡4小时至14天；浸泡后将样品取出，使用去离子水清洗，烘干，得到二硼化钛纳米针阵列。本发明在不使用其它基底和催化剂的条件下，制备出过渡金属二硼化物纳米针阵列，填补了过渡金属二硼化物纳米针阵列制备的技术空白，且具有操作简单，成本低廉，过程环保，适于工业化生产等优点。

Description

一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法
技术领域
本发明属于硬质导体纳米针阵列疏水材料制备的技术领域。主要涉及一种过渡金属二硼化物纳米针阵列的制备方法。
背景技术
疏水性材料是一类具有良好的防水、防雾、防雪、防冰冻、抗氧化、自清洁和防污染特性的功能材料，其应用范围较广，从生活民用(建筑)到军工、航空航天等都较为重要。特别对于电子器件，液体环境对电子元件具有致命的损害作用，因此潮湿环境中利用疏水性材料制备电子器件具有重要意义。另一方面，随着我国经济的发展，对电子器件的稳定性要求越来越高，除了常规环境以外，电子器件还需要应用于极端特殊环境(太空、深海等)当中，因此要求电子元件具有优异的力学性质。所以，具备优异力学性质的疏水性材料是电子元件的重要基础材料。
然而，大部分疏水性材料力学性能较差(聚四氟乙烯、树脂等)，限制了其在特殊极端环境下的使用。虽然目前部分氧化物，以及金刚石等薄膜类疏水性材料具备优异的力学性质，但是由于极强的化学惰性，在大部分材料表面的附着力较弱，难以实现基底与表面疏水材料的一体化。另外，此类优异力学性质的疏水材料多为绝缘体或半导体，不能满足需要导电的电子元件的开发。因此，开发一类同时具备优异力学性质和良好导电性的疏水性材料，对应用于极端环境的特殊电子器件具有重要意义。
过渡金属二硼化物是一种具有良好的物理和化学性能的陶瓷材料，其晶体结构主要以较强的共价键和离子键构成，熔点高、硬度高、导电性和高温力学性能优异，被广泛用于有色金属冶炼、耐磨结构部件、切削工具和防护材料等。若在此类材料中开发出疏水性能，则可以开发出一类能应用于极端环境的新型导电疏水性材料。但是，目前过渡金属硼化物在疏水材料领域未见报道，原因在于此类材料的表面能较高，输水性能较差。根据Cassie模型，纳米针阵列可以增加水滴的空气接触面积，有效降低材料的表面能，是实现疏水性甚至超疏水性的关键形貌。因此，在过渡金属二硼化物中，研究如何获得纳米针阵列材料具有重要科学意义和实际应用价值。
然而，过渡金属二硼化物的纳米形貌构筑是一项挑战，原因在于传统的模版法难以在过渡金属二硼化物中实施。过渡金属二硼化物的合成一般需要一千多度的高温，在这样的温度下，传统的AAO模版难以保持其原有的微结构形貌，导致AAO模版失效。并且，由于过渡金属二硼化物中存在较强的共价键，增加了物理方法表面构筑的难度。因此，实现过渡金属二硼化物的纳米形貌构筑具有重要意义。
鉴于此，本发明旨在制备基底和表面一体化的过渡金属二硼化物导电疏水性材料。将利用国产六面顶压机进行高温高压块体过渡金属二硼化物的制备，然后利用化学酸腐蚀的方法构筑出纳米针阵列，实现疏水性。采用本发明提出的工艺方法，可以在常温下实现对过渡金属二硼化物的表面形貌修饰，无需其它材料作基底、操作简单、成本低廉，应用范围广泛、填补了相应的技术空白，对硬质导电材料的形貌修饰和纳米针阵列材料的制备，以及未来新型电子器件具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术存在的不足，利用高温高压技术与盐酸腐蚀的方法相结合制备基底表面一体化的过渡金属二硼化物纳米针阵列。该方法用国产六面顶压机烧结成块体材料，随后利用酸将过渡金属二硼化物腐蚀，使其表面腐蚀出纳米针阵列。
本发明的具体技术方案如下所述。
一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法，以过渡金属二硼化物粉末为原料，压成直径4mm、高度2.5mm的圆柱状，利用六面顶压机在5GPa、1600℃下保温保压90min，然后冷却卸压，将样品取出，放入酸中浸泡4小时至14天，由于过渡金属二硼化物不同晶面对酸腐蚀的抵抗程度不同，样品表面会形成有序排列的纳米针，即会形成纳米针阵列；浸泡后将样品取出，使用去离子水洗去样品表面残留的酸，随后烘干，即可得到二硼化钛纳米针阵列；所述的过渡金属二硼化物为具备AlB2结构的TiB2、ZrB2或HfB2，优选TiB2。
所述的酸优选浓度为12mol/L的盐酸。
本发明的实验条件5Gpa压力可以在国产CS-Ⅲ*614000型六面顶压机上完成。实验结果表明，放入酸中浸泡的时间是影响过渡金属二硼化物纳米针阵列成形的关键因素。通过实施例1-2可以看出，随腐蚀时间增加，二硼化钛纳米针阵列中纳米针的长度逐渐增加。在盐酸的浸泡下，腐蚀4天时开始出现TiB2纳米针阵列，在10天和12天得到的纳米针较长。同样在ZrB2和HfB2中也出现了纳米针阵列，然而，ZrB2和HfB2的抗腐蚀性相对于TiB2较弱，因此ZrB2和HfB2在较短时间内就出现了纳米针阵列。
根据疏水性测试结果，块状样品TiB2、ZrB2、HfB2均没有表现出疏水性，但是，TiB2、ZrB2、HfB2在腐蚀12天、24h、16h后均表现出良好的疏水性质，且TiB2疏水性最好。
本发明选择广泛应用于工业中的导电材料、防护涂层等方面的硬质多功能材料过渡金属二硼化物，在不使用其它基底和催化剂的情况下，利用酸腐蚀的方法制备出过渡金属二硼化物纳米针阵列材料，纳米针的长度可通过调节酸腐蚀时间来控制。本发明不仅对过渡金属二硼化物纳米针阵列的制备有意义，而且对其它硬质导电材料的形貌修饰以及疏水材料的制备有重要参考价值。
综上，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在不使用其它基底和催化剂的条件下，制备出过渡金属二硼化物纳米针阵列。
2、本发明填补了过渡金属二硼化物纳米针阵列制备的技术空白。
3、本发明操作简单，成本低廉，过程环保，适于工业化生产。
附图说明
图1是实施例1中高温高压烧结微米过渡金属二硼化物的X光衍射图。
图2是实施例1中高温高压烧结微米过渡金属二硼化物的SEM图。
图3是实施例2中用盐酸腐蚀二硼化钛块体不同时间得到的样品的SEM图。
图4是实施例2中用盐酸腐蚀二硼化钛块体12天得到的样品的HRTEM图。
图5是实施例3中用盐酸腐蚀二硼化锆和二硼化铪块体，不同时间得到的样品的SEM图。
图6是实施例4中用盐酸腐蚀的过渡金属二硼化物接触角测试图。
图7是比较例1中未腐蚀的过渡金属二硼化物接触角测试图。
具体实施方式
实施例1
分别以微米级过渡金属二硼化物TiB2、ZrB2、HfB2(1～5μm)为原料，压成圆柱状(直径4mm，高度2.5mm)，利用六面顶液压机在压力为5GPa，温度为1600℃，保温90min，然后冷却卸压。具体X光衍射图见图1；SEM图见图2。由图1～2可以看出使用国产六面顶压机制备出了过渡金属二硼化物块体材料，且样品表面较为平整，无纳米针形貌出现。
实施例2
采用实施例1中高温高压制得的TiB2样品，放入浓度为12mol/L的盐酸溶液中浸泡，浸泡的时间范围为1天～14天。浸泡后将样品取出，使用去离子水洗去样品表面盐酸，随后烘干。经盐酸腐蚀不同天数后制得的样品的SEM图见图3，TiB2的HRTEM结果见图4。由图3～4可以看出使用盐酸腐蚀，二硼化钛未发生相变，腐蚀4天即开始出现二硼化钛纳米针阵列形貌，且随着腐蚀时间的增加，纳米针的长度逐渐增加，在12天达到最大值。
实施例3
采用实施例1中高温高压制得的样品ZrB2、HfB2，放入浓度为12mol/L的盐酸溶液中浸泡，浸泡的时间范围为4小时～36小时。浸泡后将样品取出，使用去离子水洗去样品表面盐酸，随后烘干。经盐酸腐蚀不同时间后制得的样品的SEM图见图5。由图5可以看出在ZrB2、HfB2中依然可以腐蚀出纳米针，ZrB2、HfB2分别在腐蚀24小时、16小时，纳米针的长度达到最大值，表明此方法对过渡金属二硼化物存在普适性。
实施例4
采用实施例2和3中制得的样品，使用接触角测量仪进行接触角测试，部分样品的接触角图见图6。由图可以看出，使用盐酸浸泡12天、24小时和16小时的TiB2、ZrB2、HfB2样品接触角都超过90度，分别为132度、116.8度和114度，说明本发明实施例2、3得到的TiB2、ZrB2、HfB2纳米针阵列具有较好的疏水性，可作为一种耐用的疏水材料。
比较例1
采用实施例1中高温高压制得的样品，使用接触角测量仪进行接触角测试，样品的接触角图见图7。由图可以看出，无纳米针形貌的表面，TiB2、ZrB2、HfB2样品的接触角分别为89度、84.78度和84度，不是疏水性材料。

Claims (2)

1.一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法，以过渡金属二硼化物粉末为原料，压成直径4mm、高度2.5mm的圆柱状，利用六面顶压机在5GPa、1600℃下保温保压90min，然后冷却卸压，将样品取出，放入浓度为12mol/L的盐酸中浸泡4小时至14天；浸泡后将样品取出，使用去离子水洗去样品表面残留的酸，随后烘干，得到二硼化物纳米针阵列；所述的过渡金属二硼化物为TiB2、ZrB2或HfB2。
2.根据权利要求1所述的一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法，其特征在于，所述的过渡金属二硼化物为TiB2。
CN202110068029.3A 2021-01-19 2021-01-19 一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法 Active CN112744824B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110068029.3A CN112744824B (zh) 2021-01-19 2021-01-19 一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110068029.3A CN112744824B (zh) 2021-01-19 2021-01-19 一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112744824A CN112744824A (zh) 2021-05-04
CN112744824B true CN112744824B (zh) 2023-01-24

Family

ID=75652461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110068029.3A Active CN112744824B (zh) 2021-01-19 2021-01-19 一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112744824B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101263620A (zh) * 2005-09-13 2008-09-10 3M创新有限公司 多层纳米结构化薄膜

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9108880B2 (en) * 2008-08-18 2015-08-18 The Regents Of The University Of California Nanostructured superhydrophobic, superoleophobic and/or superomniphobic coatings, methods for fabrication, and applications thereof
CN101603187B (zh) * 2009-07-16 2011-02-02 上海交通大学 基于表面纳米阵列结构的高疏水性材料的制备方法
CN102584242B (zh) * 2012-02-28 2013-08-14 吉林大学 二硼化钛的高温高压制备方法
CN111254391B (zh) * 2018-11-30 2022-09-16 深圳先进技术研究院 超疏水类金刚石复合层及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101263620A (zh) * 2005-09-13 2008-09-10 3M创新有限公司 多层纳米结构化薄膜

Also Published As

Publication number Publication date
CN112744824A (zh) 2021-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101451425B1 (ko) 알루미늄 소재의 자가세정능 부여를 위한 표면 개질 방법
Li et al. Multipurpose surface functionalization on AZ31 magnesium alloys by atomic layer deposition: tailoring the corrosion resistance and electrical performance
CN108339412B (zh) 一种原位生长MoS2无机复合纳滤膜及其制备方法
CN103184465B (zh) 一种纳米碳化硅材料的电化学制备方法
Yang et al. Robust diamond meshes with unique wettability properties
CN104119094B (zh) 一种SiC晶须增强的陶瓷基复合板及其制备方法
Song et al. Electrochemical machining of superhydrophobic surfaces on mold steel substrates
CN112744824B (zh) 一种过渡金属二硼化物纳米针阵列疏水材料的制备方法
Chaim et al. Electrochemical ZrO 2 and Al 2 O 3 coatings on SiC substrates
Chen et al. Superamphiphobic aluminum surfaces that maintain robust stability after undergoing severe chemical and physical damage
CN101319388B (zh) 多通道铝酸锌纳米管制备方法
CN111211306A (zh) 一种MXene@碳@多孔硅材料及其制备方法和应用
CN101182190A (zh) 一种钼刚玉陶瓷材料及低温烧结方法
CN100509692C (zh) 一种钨刚玉陶瓷材料及低温烧结方法
CN104877152A (zh) 一种制备铜基纳米氧化锌-聚偏氟乙烯复合材料的方法
CN109778169B (zh) 一种具有耐磨性和耐热性的超疏水铝合金表面及其制备方法
JP3605133B2 (ja) 基材に対して傾斜機能的なダイアモンドライクカーボン膜を被覆した炭化物材料とその製造方法
CN110144613A (zh) 一种Zr基非晶合金超疏水表面的制备方法
CN115651485A (zh) 一种水性涂料组合物
CN1256298C (zh) 高强度氧化铝/氧化锆/铝酸镧复相陶瓷及制备方法
CN109852950A (zh) 一种高结合型耐腐蚀金属陶瓷涂层材料的制备方法
KR20100099857A (ko) 다공성 골드 입자의 제조방법 및 이를 이용한 중금속 검출용 전극
CN115007853A (zh) 一种可优化CNTs/Al复合材料界面的碳纳米管表面改性方法
KR20160001365A (ko) 초친수성 금속 표면 형성방법
KR100819870B1 (ko) 전기화학 증착법에 의한 중간세공 구조를 갖는오산화바나듐 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는박막

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant