bn合成方案分析

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1、哈尔滨工业大学化学论文BN合成方案分析学院:材料科学与工程专业：材料科学与工程学生：刘豪班级：1219001学号：1121900131日期：2013年4月4BN合成方案分析摘要：氮化硼具有许多优良性能与重要运用价值。利用氮化硼高硬度、高热导率、高稳定性以及宽带隙等特点，在防护层制造、大功率电子器件以及高温半导体器件研制方面应用广泛。本文将分析氮化硼的三种合成方案：(1)B(s)+1/2N2(g)=BN(s)；(2)BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)；(3)BA(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H20(g)。在成本、原子利用率、环保以及技术要求等方面的优劣，

2、得出最佳合成氮化硼的方案。关键词：氮化硼；成本；原子利用率；环保；设备性能要求。一氮化硼性质：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)、立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纤锌矿氮化硼(WBN)。氮化硼纤维具有强度高、弹性模量高、重量轻、热稳定、热导率高等优点。六方氮化硼，也称为石墨型氮化硼，其片层结构巨分子为柔软、白色晶状粉末，俗称白石墨，和对分子质量均为24.82。理论密度2.27g/cm3,比重2.43,莫氏硬度为2,1200°C以上开始在空气中氧化，真空时约2700°C开始分解，约3000

3、°C升肀。电绝缘性很好，比电阻大于10-6Q.cm;压缩强度为170MPa。六方氮化硼的化学性质极不活泼，具有抗化学侵蚀性质。微溶于水，与水煮沸时缓慢水解成硼酸。BN化学反应热数据：△孔°=-254.39kj/mol;A.G,°=-228.45kj/mol;S?=14.81J/(mol*K)。二化学反应分析：(一)单质硼和氮气反应:B(s)+1/2N2(g)=BN(s)A.反应物性质：(a)氮气:常况下是一种无色无味无嗅的气体，且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%(体积分数)，在标准情况下的气体密度是1.25g/dn<3,氮气在标准大气压下，冷却至-195.8°C时，变成没有颜色

4、的液体，冷却至_209.86°C时，液态氮变成雪状的固体。氮气在水里溶解度很小，在常温常压不，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。它是个难于液化的气体。在生产屮，通常采用灰色钢瓶盛放氮气。氮气化学反应热数据:AfH.°=0kj/mol;A,G?=0kj/mol;S?=191.50J/(mol*K);(b)硼：黑色或深棕色粉末，在空气屮氧化时由于三氧化二硼膜的形成，而起自身限制作用，当温度在ioo(rc以上时，氧化层才蒸发。常温时能与氟反应。不受盐酸和氢氟酸水溶液的影响。与熔化的过氧化钠能剧烈反应。粉末能溶于沸硝酸和硫酸，以及大多数熔融的金属如铜、铁、锰、铝和钙。不溶于水。相对密度

5、2.350。熔点约230CTC。沸点3658V。硬度仅次于金刚石，较脆。硼化学反应热数据：kJ/mol;S?=5.86J/(mol-K);A,G/=0kj/moloB.分析：计算化学反应热得△凡=-254.39kj/mol;ArS.=-86.8J/(mol-K);A:GO=-228.4kj/mol<0；转换温度T=2930K。根据热力学原理,该反应在2930K以下可以自发进行,且升高温度可以提高该反应的速率。整个反应直接生成BN产品，不会产生有害物质危害环境。为得到较大反应速率，在实际生产屮需要140(fl60(rC,使用Fe，Fe-C,Fe-Si催化剂，对设备要求较高。因为B单质与

6、BN均为固体，制的的氮化硼产品纯度不高，需要进一步分离。由于B单质在高温下与氧气反应，反应中需要高纯度氮气价格为3元/Kg。B单质价格较高，高纯度的不定形态硼单质为8500元/Kg，高纯度结晶型硼单质为19000元/Kg。理论上利用高纯度不定形态硼单质与高纯度氮气生成lKg氮化硼的原料成本为3542元左右，而且高温所需成本较高。C.结论:单质硼和氮气生成氮化硼反应优点是环保，原子利用率较高；缺点是成本高，不适合大规模工业生产。(一)氯化硼与氨气反应:BCb(g)+NHa(g)=BN(s)+3HCl(g)A.反应物性质：(a)氯化硼：又名三氯化硼，是一种有强烈臭味的无色发烟液体或气体，

7、用作半导体硅的掺杂源或有机合成催化剂，还用于高纯硼或有机硼的制取。相对密度为1.43,熔点为-107.3V，沸点为12.50C，易潮解，溶于苯与二硫化碳。健康危害：吸入、口服或经皮肤吸收对身体有害。可引起化学灼伤。对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道有强烈的腐蚀作用。吸入后可因喉、支气管的痉挛、水肿，化学性肺炎、肺水肿而致死。屮毒表现有烧灼感、咳嗽、喘息、喉炎、气短、头痛、恶心和呕吐。危险特性：化学反应活性很高，遇水发生爆炸性分解。与铜及其合金有可能生成具有爆炸性