CN1451472A - 在触媒作用下立方相硼碳氮晶体的高温高压合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立方相硼碳氮晶体的合成方法。它采用Ca3B2N4、Mg3B2N4、Li3N、Ca3N2和Mg3N2为触媒，在高温高压下合成立方相硼碳氮晶体的方法，将直接合成的压力温度条件降低到金刚石和立方BN工业化合成的条件。先将石墨、纯硼和六方BN进行机械合金化以获得化合态的乱层石墨结构的B－C－N前驱物，将前驱物粉末与触媒粉末按一定比例混合均匀，制成压坯，在压力为5GPa以上，温度控制在1100℃以上保温，最后将合成产物进行酸处理，得到纯的立方相硼碳氮晶体。

Description

在触媒作用下立方相硼碳氮晶体的高温高压合成方法
所属技术领域
本发明涉及一种立方相硼碳氮晶体的合成方法。
背景技术
立方相硼碳氮化合物，如立方BC2N和BC6N，是继金刚石和立方BN之后人工设计和合成出来的第三类超硬材料。这类材料在自然界中尚未发现。研究表明，采用直接法合成这类化合物时，所需要的压力和温度条件十分苛刻。在合成压力高于26GPa、温度高于2200℃时方能够得到立方相。采用触媒法合成立方相B-C-N化合物的方法首先由日本专利JP01316460和JP94091954公开。日本专利公开的立方相硼碳氮晶体的合成方法是首先采用BCl3和氰甲烷的化学气相制备六方结构的BC2N薄膜或粉末，再将这些粉末与Co、Fe、Ni及它们的合金中的一种混合在1360℃的金刚石稳定区进行热处理。由于这种方法合成立方相硼碳氮时要发生相分离现象，即分解成金刚石和立方BN，因此实际上得不到真正意义上的立方相硼碳氮晶体。
发明内容
为了克服直接法合成立方相硼碳氮化合物所需要的超高温超高压问题，本发明提供一种在触媒作用下立方相硼碳氮晶体的高温高压合成方法，该发明将直接合成的压力温度条件降低到金刚石和立方BN工业化合成的条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用Ca3B2N4、Mg3B2N4、Li3N、Ca3N2和Mg3N2中的一种为触媒，将化合态的B-C-N前驱物与触媒按一定比例混合后在高温高压下处理，获得立方相的硼碳氮晶体，其工艺过程是：
(1)要获得满足化学式BxCy(BN)z的立方相晶体，将纯硼、石墨和六方氮化硼按x∶y∶z原子百分比在真空或保护气氛下进行机械合金化50-200小时，以获得化合态的乱层石墨结构的Bx+zCyNz前驱物粉末；
(2)在手套箱中的氩气保护下，将前驱物粉末与触媒粉末按一定比例混合均匀，制成压坯，并与石墨管状内衬(石墨、钽、NaCl、ZrO2等)、叶蜡石管和石墨管状加热炉组装成组装块；
(3)将组装块放在高压设备压腔中，压力升至5GPa以上，温度控制在1100℃以上保温一定时间；
(4)将合成产物在H2SO4和HNO3混合酸中处理，得到纯的立方相硼碳氮晶体。
本发明的有益是：将直接合成的压力温度条件降低到金刚石和立方BN工业化合成的条件。
具体实施方式
实施例1：立方相BC2N晶体的合成
将高纯石墨和六方BN按1∶1摩尔比混合后装入高能球磨机罐中，抽真空后球磨150小时获得了乱层石墨结构的BC2N前驱物。将BC2N前驱物与Ca3B2N4触媒按1∶1摩尔比混合均匀后，在压机上压制成圆片，放到六面顶压腔中，在5.5GPa压力下和1500℃条件下保温10分钟，将所得样品用硫酸和硝酸混合液溶掉触媒，得到点阵参数为3.6165的立方结构BC2N晶体。
实施例2：立方相B2CN晶体的合成
将高纯石墨、高纯硼和六方BN按1∶1∶1摩尔比混合后装入高能球磨机罐中，抽真空后球磨120小时获得了乱层石墨结构的B2CN前驱物。将B2CN前驱物与Ca3B2N4触媒按1∶1摩尔比混合均匀后，在压机上压制成圆片，放到六面顶压腔中，在5.5GPa压力下和1400℃条件下保温5分钟，将所得样品用硫酸和硝酸混合液溶掉触媒，得到点阵参数为3.6168的立方结构B2CN晶体。

Claims (9)

1、一种触媒作用下立方相硼碳氮晶体的高温高压合成方法，将B-C-N前驱物与触媒混合后高温高压处理，获得立方相的硼碳氮晶体，其特征是：
(1)要获得满足化学式BxCy(BN)z的立方相晶体，将纯硼、石墨和六方氮化硼按x∶y∶z原子百分比在真空或保护气氛下进行机械合金化50-200小时，以获得化合态的乱层石墨结构的Bx+zCyNz前驱物粉末；
(2)在手套箱中的氩气保护下，将前驱物粉末与触媒粉末按一定比例混合均匀，制成压坯，并与管状内衬、叶蜡石管和石墨管状加热炉组装成组装块；
(3)将组装块放在高压设备压腔中，在压力不低于5GPa，温度不低于1100℃条件下保温2-30分钟；
(4)将合成产物在H2SO4和HNO3混合酸中处理，得到纯的立方相B-C-N晶体。
2、根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：触媒材料为：Ca3B2N4、Mg3B2N4、Li3N、Ca3N2和Mg3N2。
3、根据权利要求1所述的合成方法，其特征是：管状内衬的材料为：石墨、钽、NaCl和ZrO2。
4、根据权利要求1所述的合成方法，其特征是：合成立方结构BC2N晶体，将高纯石墨和六方BN按1∶1摩尔比混合后装入高能球磨机罐中，抽真空后球磨150小时获得了乱层石墨结构的BC2N前驱物。
5、根据权利要求1或4所述的合成方法，其特征是：将BC2N前驱物与Ca3B2N4触媒按1∶1摩尔比混合均匀后，在压机上压制成圆片，放到六面顶压腔中；
6、根据权利要求1或4所述的合成方法，其特征是：在5.5GPa压力下和1500℃条件下保温10分钟；将所得样品用硫酸和硝酸混合液溶掉触媒，得到点阵参数为3.6165的立方结构BC2N晶体。
7、根据权利要求1所述的合成方法，其特征是：合成立方结构B2CN晶体，将高纯石墨、高纯硼和六方BN按1∶1∶1摩尔比混合后装入高能球磨机罐中，抽真空后球磨120小时获得了乱层石墨结构的B2CN前驱物；
8、根据权利要求1或7所述的合成方法，其特征是：将B2CN前驱物与Ca3B2N4触媒按1∶1摩尔比混合均匀后，在压机上压制成圆片，放到六面顶压腔中；
9、根据权利要求1或7所述的合成方法，其特征是：在5.5GPa压力下和1400℃条件下保温5分钟，将所得样品用硫酸和硝酸混合液溶掉触媒，得到点阵参数为3.6168的立方结构B2CN晶体。
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