本中心多年来一直致力于微纳结构氮化硼材料的合成、性能及应用研究,开展了多种微纳结构氮化硼材料的低成本及大规模合成方法研究,获得了面向不同领域所需的具有不同结构和功能的微纳氮化硼材料,系统地讨论了这些材料的力学、电学、光学等性质,为其在纳米电子学、复合增韧、能源等领域内的应用奠定理论和试验基础。
(1) 球形BN纳米颗粒的绿色、大规模合成及商用化设备中试开发
以硼酸三甲酯为原料,通过CVD方法和精确地合成工艺控制来制备球形BN纳米颗粒,实现了直径为30~50 nm的BN纳米球的大规模合成,这种CVD方法不仅工艺简单,而且副产物为可以收集的有机醇和醚,对环境没有污染。目前,本中心已经实现了球形BN纳米颗粒的中试生产,可以日产BN纳米球5 kg以上,为工业化应用奠定了基础。相关产品的产业化推广已经与企业达成了初步协议。以这种球形BN为前驱体,在不添加催化剂的条件下,通过高温高压反应制备了具有纳米孪晶结构的立方结构BN,该种材料的硬度不仅远远超过常见的商业微米级立方BN,而且还超过理想的金刚石的硬度,同时还表现出极好的断裂韧性和抗高温氧化能力,这一研究工作无疑为未来在刀具和钻头的应用开辟了广阔前景。
(2) BN纳米管的可控合成及性能研究
发明了“可移催化剂在位CVD 反应方法”,实现了氮化硼纳米管的大规模、低成本制备。按照这个方法建立的实验室生长设备,能够达到日产10 g 纯度大于95 %的BN 纳米管。同时还在国际上首次获得了具有全缺陷结构的BN 纳米管(现在已被通称为崩溃的BN 纳米管)。近年我们也以Li2O 为催化剂合成了管径小于10 nm 的超细BN 纳米管;采用Li2CO3为催化剂合成了管壁厚度约50 nm的BN微米管,并通过在原料中引入碳源合成了C掺杂的BN微米管,掺杂后的BCN管场发射性能相对纯的BN微米管有了很大提高。
深入研究了BN 微/纳结构的电子输运、氢储存、热传导、场发射、光学和力学等性能。采用化学气相沉积方法,首次合成了F均匀掺杂的BN 纳米管,这种F掺杂BN 纳米管的电导率可以通过掺杂量调节,低于5%的F掺杂就能够使BN纳米管的电导提高3个数量级以上。我们也发现,具有全缺陷结构的崩溃状BN纳米管在10MPa和室温下的氢的吸附值为4.2 wt%。其它的关于 BN 纳米材料的力学、热学、场发射、光催化、功能化和复合材料领域的工作也有系统的研究。
采用“可移催化剂原位CVD方法”,实现了BNNT的大规模制备
首次获得了氟掺杂的氮化硼纳米管,实现了BN纳米管的半导体化