專利名稱：在觸媒作用下立方相硼碳氮晶體的高溫高壓合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立方相硼碳氮晶體的合成方法。
背景技術(shù)：
立方相硼碳氮化合物，如立方BC2N和BC6N，是繼金剛石和立方BN之后人工設(shè)計(jì)和合成出來的第三類超硬材料。這類材料在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)。研究表明，采用直接法合成這類化合物時(shí)，所需要的壓力和溫度條件十分苛刻。在合成壓力高于26GPa、溫度高于2200℃時(shí)方能夠得到立方相。采用觸媒法合成立方相B-C-N化合物的方法首先由日本專利JP01316460和JP94091954公開。日本專利公開的立方相硼碳氮晶體的合成方法是首先采用BCl3和氰甲烷的化學(xué)氣相制備六方結(jié)構(gòu)的BC2N薄膜或粉末，再將這些粉末與Co、Fe、Ni及它們的合金中的一種混合在1360℃的金剛石穩(wěn)定區(qū)進(jìn)行熱處理。由于這種方法合成立方相硼碳氮時(shí)要發(fā)生相分離現(xiàn)象，即分解成金剛石和立方BN，因此實(shí)際上得不到真正意義上的立方相硼碳氮晶體。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服直接法合成立方相硼碳氮化合物所需要的超高溫超高壓問題，本發(fā)明提供一種在觸媒作用下立方相硼碳氮晶體的高溫高壓合成方法，該發(fā)明將直接合成的壓力溫度條件降低到金剛石和立方BN工業(yè)化合成的條件。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用Ca3B2N4、Mg3B2N4、Li3N、Ca3N2和Mg3N2中的一種為觸媒，將化合態(tài)的B-C-N前驅(qū)物與觸媒按一定比例混合后在高溫高壓下處理，獲得立方相的硼碳氮晶體，其工藝過程是(1)要獲得滿足化學(xué)式BxCy(BN)z的立方相晶體，將純硼、石墨和六方氮化硼按x∶y∶z原子百分比在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行機(jī)械合金化50-200小時(shí)，以獲得化合態(tài)的亂層石墨結(jié)構(gòu)的Bx+zCyNz前驅(qū)物粉末；
(2)在手套箱中的氬氣保護(hù)下，將前驅(qū)物粉末與觸媒粉末按一定比例混合均勻，制成壓坯，并與石墨管狀內(nèi)襯(石墨、鉭、NaCl、ZrO2等)、葉蠟石管和石墨管狀加熱爐組裝成組裝塊；(3)將組裝塊放在高壓設(shè)備壓腔中，壓力升至5GPa以上，溫度控制在1100℃以上保溫一定時(shí)間；(4)將合成產(chǎn)物在H2SO4和HNO3混合酸中處理，得到純的立方相硼碳氮晶體。
本發(fā)明的有益是將直接合成的壓力溫度條件降低到金剛石和立方BN工業(yè)化合成的條件。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1立方相BC2N晶體的合成將高純石墨和六方BN按1∶1摩爾比混合后裝入高能球磨機(jī)罐中，抽真空后球磨150小時(shí)獲得了亂層石墨結(jié)構(gòu)的BC2N前驅(qū)物。將BC2N前驅(qū)物與Ca3B2N4觸媒按1∶1摩爾比混合均勻后，在壓機(jī)上壓制成圓片，放到六面頂壓腔中，在5.5GPa壓力下和1500℃條件下保溫10分鐘，將所得樣品用硫酸和硝酸混合液溶掉觸媒，得到點(diǎn)陣參數(shù)為3.6165的立方結(jié)構(gòu)BC2N晶體。
實(shí)施例2立方相B2CN晶體的合成將高純石墨、高純硼和六方BN按1∶1∶1摩爾比混合后裝入高能球磨機(jī)罐中，抽真空后球磨120小時(shí)獲得了亂層石墨結(jié)構(gòu)的B2CN前驅(qū)物。將B2CN前驅(qū)物與Ca3B2N4觸媒按1∶1摩爾比混合均勻后，在壓機(jī)上壓制成圓片，放到六面頂壓腔中，在5.5GPa壓力下和1400℃條件下保溫5分鐘，將所得樣品用硫酸和硝酸混合液溶掉觸媒，得到點(diǎn)陣參數(shù)為3.6168的立方結(jié)構(gòu)B2CN晶體。
權(quán)利要求
1.一種觸媒作用下立方相硼碳氮晶體的高溫高壓合成方法，將B-C-N前驅(qū)物與觸媒混合后高溫高壓處理，獲得立方相的硼碳氮晶體，其特征是(1)要獲得滿足化學(xué)式BxCy(BN)z的立方相晶體，將純硼、石墨和六方氮化硼按x∶y∶z原子百分比在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行機(jī)械合金化50-200小時(shí)，以獲得化合態(tài)的亂層石墨結(jié)構(gòu)的Bx+zCyNz前驅(qū)物粉末；(2)在手套箱中的氬氣保護(hù)下，將前驅(qū)物粉末與觸媒粉末按一定比例混合均勻，制成壓坯，并與管狀內(nèi)襯、葉蠟石管和石墨管狀加熱爐組裝成組裝塊；(3)將組裝塊放在高壓設(shè)備壓腔中，在壓力不低于5GPa，溫度不低于1100℃條件下保溫2-30分鐘；(4)將合成產(chǎn)物在H2SO4和HNO3混合酸中處理，得到純的立方相B-C-N晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成方法，其特征在于觸媒材料為Ca3B2N4、Mg3B2N4、Li3N、Ca3N2和Mg3N2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成方法，其特征是管狀內(nèi)襯的材料為石墨、鉭、NaCl和ZrO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成方法，其特征是合成立方結(jié)構(gòu)BC2N晶體，將高純石墨和六方BN按1∶1摩爾比混合后裝入高能球磨機(jī)罐中，抽真空后球磨150小時(shí)獲得了亂層石墨結(jié)構(gòu)的BC2N前驅(qū)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的合成方法，其特征是將BC2N前驅(qū)物與Ca3B2N4觸媒按1∶1摩爾比混合均勻后，在壓機(jī)上壓制成圓片，放到六面頂壓腔中；
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的合成方法，其特征是在5.5GPa壓力下和1500℃條件下保溫10分鐘；將所得樣品用硫酸和硝酸混合液溶掉觸媒，得到點(diǎn)陣參數(shù)為3.6165的立方結(jié)構(gòu)BC2N晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成方法，其特征是合成立方結(jié)構(gòu)B2CN晶體，將高純石墨、高純硼和六方BN按1∶1∶1摩爾比混合后裝入高能球磨機(jī)罐中，抽真空后球磨120小時(shí)獲得了亂層石墨結(jié)構(gòu)的B2CN前驅(qū)物；
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的合成方法，其特征是將B2CN前驅(qū)物與Ca3B2N4觸媒按1∶1摩爾比混合均勻后，在壓機(jī)上壓制成圓片，放到六面頂壓腔中；
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的合成方法，其特征是在5.5GPa壓力下和1400℃條件下保溫5分鐘，將所得樣品用硫酸和硝酸混合液溶掉觸媒，得到點(diǎn)陣參數(shù)為3.6168的立方結(jié)構(gòu)B2CN晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種立方相硼碳氮晶體的合成方法。它采用Ca
文檔編號B01J3/06GK1451472SQ0312876
公開日2003年10月29日 申請日期2003年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者田永君 申請人:燕山大學(xué)