氮化硼制备方法的研究

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1、氮化硼制备方法的研究英才学院任丹丹1236002班学号：61205202014氮化硼制备方法的研究英才学院任丹丹指导教师：杨玉林摘要：氮化硼是一种优良的绝缘材料，也是一种耐高温材料，在耐火材料和电子工业中已得到广泛的应用。【1】合成氮化硼的方法有很多种。究竟哪种方法更切合实际，或者在某些特定情况下更适合选择哪种方法呢？本文从反应方向、原料价格以及环保等方面综合考虑，分析并得出了切实具体的制备方案。关键词：氮化硼；制备；价格；环保；反应方向。氮化硼是一种重要的III-V族化合物，该材料具有优异的物理和化学性能，如：宽带隙、高热导率、优异的抗氧化性等。氮化硼在高温、高频、大功率、光电子

2、及抗辐射等方面具有巨大的应用前景，因此BN纳米材料的制备、纳米结构的测量、纳米器件的组装、BN增韧陶瓷及光、电学性能的测试等成为当今BN纳米材料领域的重要研究方向。目前，许多国家相继投入了大量的资金对氮化硼进行了广泛深入的研究，并己在BN晶体生长技术、光电器件开发、关键器件工艺、BN集成电路制造等方面取得了重要成果，这为军用电子系统和武器装备性能的提高以及抵抗恶劣环境的电子设备提供了新型元件。一、氮化硼的优良性能与应用4氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼(CBN)

3、、纤锌矿氮化硼(WBN)。氮原子和硼原子采取不同杂化方式互相作用，可形成不同结构的氮化硼晶体。当氮原子和硼原子以SP2方式杂化后,由于键角为120°，成键后形成与石墨类似的平面六角网状结构分子，这种大的平面网状分子采取不同的空间堆垛方式后，又可形成不同的结构--六方氮化硼（HBN）和菱方氮化（RBN）。4氮化硼有很多优良的性能：高耐热性、高导热系数、低热膨胀系数、抗热震性、高温绝缘性好（是陶瓷中最好的高温绝缘材料）、良好的耐腐蚀性、低的摩擦系数、可机械加工性。机械特性拥有不磨蚀、低磨耗、尺寸安全性、润滑性佳、耐火及易加工等优点。电气特性拥有介电强度佳、低介电常数、高频率下低损耗、可

4、微波穿透、良好的电绝缘性等优点。热力特性拥有高热传导、高热容量、低热膨胀、抗热冲击、高温润滑性及高温安定性等优点。化学特性拥有无毒、化学安定性、抗腐蚀、抗氧化、低湿润、生物安定性及不沾性等优点。表1根据以上氮化硼的各种优良性能，氮化硼类化合物在工业生产和科研上都有广泛的用途并占据着很高的位置。如六方氮化硼是一种耐高温、耐腐蚀、高导热率、高绝缘性以及润滑性能优良的材料，被广泛地应用于石油、化工、机械、电子、电力、纺织、核工业、航天等部门。立方氮化硼更是一种集多种优异功能于一身的多种功能材料，它的硬度仅次于金刚石，但稳定性高于金刚石。立方氮化硼具有高稳定性、高热导率、高硬度以及宽带隙等

5、一系列优异的性能，使得它在高温大功率半导体器件研制、短波长和紫外光电子器件制备、热沉材料、切削和磨削材料、耐高温耐磨防护涂层、高通透高稳定性窗口研制等方面具有广阔的应用前景。【2】二、几种氮化硼制备方法的研究4经过老一辈科研工作者的研究与探索，总结出了很多关于制备氮化硼的方法与途径。本文就教科书中提供的三种的方法做试探性的探究与比较。②用单质B与N2反应：B(s)+1/2N2(g)=BN(s)②用BCl3与NH3反应：BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)③用B2O3与NH3反应：B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)表2现从反应方向、原料价

6、格、以及环保等方面综合考虑。1．反应方向：根据热力学原理，密闭系统在等温等压条件下，化学反应（包括气体混合、溶解等）地朝吉布斯自由能降低（GT,P<0）方向进行。GT,P的值越负，正反应的倾向越大。由热力学关系式：GT,P=H－TS，可知，GT,P由H与TS两部分组成，H是等压反应热，T,S是等温可逆条件下系统与环境交换的热量，T是环境温度。化学反应的方向是受系统的H与S两个效应相互作用的结果。[3]①B(s)+1/2N2(g)=BN(s)ΔrHmΘ=-254.39kj·mol-1ΔrSmΘ=-86.8j·mol-1·k-1ΔrGmΘ=0时，T=2930.76K≈2657.61℃标

7、准状态下：ΔrGmΘ=[(-228.45)-(0+0)]kJ·mol-1=–228.45kJ·mol-1＜0由热力学原理，该反应在标准状态下是可以自发进行的。反应直接生成BN产品，不会产生有害物质危害环境，但是要在2000℃的较高温度下反应。)另外，硼粉在氮气气氛中合成BN，为了使所得反应物晶粒均匀,减少基体开裂或弯曲变形的程度,就要控制升温速率缓慢、均匀,以使生成的BN充分扩散。【4】②BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)ΔrHmΘ=-47.23