CN117732372A - 一种以复合触媒合成立方氮化硼的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以复合触媒合成立方氮化硼的方法。该方法选用粒径适宜的六方氮化硼h‑BN为原料，高熵合金FeCoNiCrCu及单质金属Al的混合物作为复合触媒，充分混合压片后，在高温高压的条件下合成立方氮化硼c‑BN，经酸碱提纯可得到黄色c‑BN晶体。本发明中复合触媒适合规模化生产，可有效降低c‑BN合成条件，作为新型触媒在高质量c‑BN的合成方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于超硬材料合成技术领域，特别涉及一种以复合触媒合成立方氮化硼晶体的方法。
背景技术
立方氮化硼(c-BN)与金刚石、SiC和GaN等并称为第三代半导体材料，具有与金刚石类似的晶体结构，其硬度仅次于金刚石，在高温下良好的化学稳定性、耐腐蚀、抗氧化、超宽带隙、高热导率、低介电常数，使其在热稳定性及对黑色金属的化学惰性等方面优于金刚石，被广泛应用于刀具、磨料行业及高精密的金属加工等领域。
1957年，美国的R.H.温托夫首先研制成c-BN，其优异的物化性质引起科研工作者的广泛关注。在c-BN的合成过程中，主要分为高压合成法与低压合成法。工业规模化合成c-BN，主要采用高温高压触媒法，以六方氮化硼h-BN为原料，通过触媒的催化作用降低反应条件，在高温高压的环境中促使h-BN转化为c-BN并进行晶体生长，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品。触媒材料不仅可以降低合成c-BN所需的温度和压力，还起到溶解h-BN和催化h-BN向c-BN转化的双重作用。因此，触媒材料的种类和品质会对c-BN的转化率、晶型、抗冲击强度以及粒度分布有着重要的影响。目前，常使用碱金属、碱土金属及其氮化物、硼化物、氮硼化物等作为触媒材料，此类触媒材料化学性质活泼，极易被氧化，不易保存，在实际操作时对环境要求高等不利因素，进而影响c-BN的转化率和高质量c-BN的合成。
由于触媒对于c-BN合成具有重要影响，因此，人们一直在探索新型的触媒材料以提高其化学稳定性，以保证获得高质量的c-BN材料。
发明内容
本发明提供一种以高熵合金FeCoNiCrCu和单质金属Al作为复合触媒合成立方氮化硼的方法。通过制得特定比例的高熵合金FeCoNiCrCu与单质金属Al混合作为新型复合触媒，并将其用于h-BN到c-BN的高温高压合成，解决了现有技术中存在的不足。
为实现以上目的，本发明具体技术方案如下：
1.采用机械球磨的方式获得高熵合金FeCoNiCrCu。以等摩尔比称量铁粉、钴粉、镍粉、铬粉和铜粉，一起放入球磨罐中，其中磨球与金属混合粉的质量比为25:1，以800rpm的转速在氩气保护氛围下干磨，每正转5mins休息1min，再反方向转5mins休息1min，往复交替循环，球磨时长共10h。
2.选用高熵合金FeCoNiCrCu和单质金属Al作为复合触媒，其中金属Al的质量占复合触媒总质量的3％。
3.选用粒径适宜的h-BN为原料，在不超过700℃的温度下真空干燥120mins。
4.以质量比1:1.3分别称量取料h-BN和复合触媒，并充分混合。
5.将混料通过液压机压制成圆柱状，装入石墨加热装置并套入叶蜡石组装块，整体放入国产六面顶液压机腔室，在压力5-5.5GPa，温度1500-2000℃，保温5-30mins。
6.合成的样品经破碎、酸碱提纯后得到c-BN晶体，其颜色为琥珀色至黄色，晶体形貌大多无规则且尖锐。
本发明采用高熵合金FeCoNiCrCu及单质金属Al作为复合触媒，其触媒物化稳定性好并易于保存；相较于氮化锂、氮化钙等触媒价格便宜，降低了生产成本；复合触媒的生产过程简单方便，为其在c-BN合成中的应用提供了可靠的保障，克服了现有碱金属、碱土金属及其氮化物、硼化物、氮硼化物等触媒的复杂性、氧化性和不便性。因此，本发明具有积极进步的效果，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1高熵合金FeCoNiCrCu的X射线衍射(XRD)图。
图2高熵合金FeCoNiCrCu的扫描电子显微镜(SEM)图和选区电子能谱分析(EDS)的Mapping图。
图3压力5.5GPa、温度1800℃、保温保压30mins的c-BN的X射线衍射(XRD)图。
图4酸碱提纯处理后得到c-BN晶体光学显微镜图。
图5压力5GPa、温度1500℃、保温保压30mins的c-BN的X射线衍射(XRD)图。
具体实施方式
为使本发明的实质性特点更易于理解，实施例通过附图和描述对技术方案作进一步的详尽阐述，但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
实施例1制备高熵合金FeCoNiCrCu
本发明以高熵合金FeCoNiCrCu和单质金属Al作为复合触媒，其中高熵合金FeCoNiCrCu中各元素按照等摩尔比称重，一起放入球磨罐中，通过机械球磨的方式合成，其中球与高熵合金的质量比为25:1，球磨机以800rpm的转速，在氩气保护氛围下干磨，每正转5mins休息1min，再反方向转5mins休息1min，往复交替循环，球磨时长共10h。图1给出了球磨合成的高熵合金FeCoNiCrCu的XRD图，从图1中可以看出，所合成样品为具有面心立方相结构的高熵合金，样品纯净无杂质。图2为高熵合金FeCoNiCrCu的扫描电子显微镜(SEM)图和选区电子能谱分析(EDS)的Mapping图，从图2中可以看到，各元素分布均匀，无明显偏析现象，与图1的XRD结果一致，确定球磨后合成的样品为单一相面心立方结构的高熵合金FeCoNiCrCu。
实施例2复合触媒合成c-BN
本发明的合成实验是在国产六面顶压机上完成。选用粒径适宜的h-BN为原料，在不超过700℃的温度下真空干燥120mins，以高熵合金FeCoNiCrCu和单质金属Al作为复合触媒，其中金属Al的质量占复合触媒总质量的3％。将原料h-BN与复合触媒以1:1.3的质量比称取并充分混合，将混料通过液压机压制成圆柱状，装入石墨加热装置并套入叶蜡石组装块，整体放入国产六面顶液压机腔室，在压力5.5GPa、温度1800℃的条件下保温保压30mins。图3给出了压力5.5GPa、温度1800℃下加热合成30mins的样品XRD图，从图3中可以看到，合成样品的XRD谱峰与标准卡片PDF#35-1365中c-BN谱峰对应一致，确认h-BN完成到c-BN的相转变，即获得c-BN材料。图4为破碎和酸碱提纯处理后得到c-BN晶体光学显微镜图，从图4中可以清晰的看到，合成的c-BN颜色为琥珀色至黄色，晶体形貌大多无规则且尖锐，粒径分布在50-500μm。为进行对比，图5给出了压力5GPa、温度1500℃下加热合成30mins的样品XRD图，从图5中可以看到，合成样品的XRD谱峰也与标准卡片PDF#35-1365对应一致，即降低高温高压合成条件下也可获得c-BN材料。表明新型高熵合金FeCoNiCrCu和单质金属Al的复合触媒可以有效的降低c-BN合成条件。
以上所述的实施例仅对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明范围内或等同本发明范围内的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种以复合触媒合成立方氮化硼的方法，选用粒径适宜的六方氮化硼为原料，在不超过700℃的温度下真空干燥120mins；高熵合金FeCoNiCrCu和单质金属Al为复合触媒，按照h-BN:(FeCoNiCrCu+Al)＝1:1.3的质量比称重并充分混合；将混料液压成圆柱状，装入加热装置并套入叶蜡石组装块中，整体放入国产六面顶液压机腔室，在压力5-5.5GPa，温度1500-2000℃，保温保压5-30mins，样品经酸碱提纯处理后得到立方氮化硼晶体。
2.按照权利要求1所述以复合触媒合成立方氮化硼的方法，其特征在于：采用的高熵合金FeCoNiCrCu中各元素含量为等摩尔比，单质金属Al的质量占复合触媒总质量的3％。
3.按照权利要求1所述以复合触媒合成立方氮化硼的方法，其特征在于：采用的高熵合金FeCoNiCrCu通过机械球磨的方式获得，其中球与原材料的质量比为25:1，以800rpm的转速在氩气氛围下干磨，每正转5mins休息1min，再反方向转5mins休息1min，往复交替循环，球磨时长共10h。
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