[发明专利]纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体的是涉及纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管的制备工 艺。

背景技术

氮化硼纳米管具有与碳纳米管相媲美的高模量和高强韧性，极好的化学稳定性和热稳定 性。此外，BN纳米管表现为宽带隙的半导体，且电学性能与管径、螺旋度和管壁数目无关。 这些特性使得BN纳米管在纳米半导体器件、纳米复相陶瓷、储氢材料等诸多领域中有重要 的应用前景，其中，填充金属颗粒的氮化硼纳米管由于具有很多优异的性能和特殊的应用而 成为研究的热点。例如，利用氮化硼绝缘性、良好的热稳定性和化学性质，可以用作天然的 绝缘层防止填充纳米金属粒子或纳米线、棒的电学性能减弱或被氧化等。

近年来将金属成功填充入氮化硼纳米管已经有许多报道，比较成功的一个例子就是将纳 米铁颗粒或纳米线填充入氮化硼纳米管。理论研究和实验证明，纳米铁颗粒填充的氮化硼纳 米管饱和磁化强度远高于目前报道的氮化硼包裹的铁磁性纳米胶囊，同时具有较低的矫顽力 和较好的稳定性。充填的氮化硼纳米管还具均一的室温发光特性，可组装成为发光元件。

一般的填充方法有碳纳米管模板法、电化学气相沉积法、电弧熔融填充法、球磨氨化法 等。这些制备纳米铁颗粒填充氮化硼纳米管的方法成本高，产量小或者流程复杂。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现有技术的不足而提供一种纳米铁颗粒填充的氮化硼 纳米管的制备工艺，该工艺简单，成本低廉，能够批量制备纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管， 纳米管纯度达85％，适合工业化生产。

本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管的制 备工艺，其特征在于首先球磨硼铁粉和氯化铵的混合物，然后将所得的球磨物料与氧化铁和 金属镁粉混合，混合料中B∶Fe∶N∶Mg的摩尔比为1∶(2～6)∶(4～10)∶(2～5)，压制成型后再进行 自蔓延反应，将所得粗产物浸泡在过量的30～38wt.％盐酸中，于50～80℃下加热搅拌6～24 小时，再经抽滤、水洗，水洗后所得滤饼于80℃下真空干燥12～24小时，即可得到纳米铁 颗粒填充的氮化硼纳米管。

按上述方案，所述的纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管，其长度为5～120μm，直径为50～250 nm，填充的纳米铁颗粒平均直径为80nm，纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管中各元素摩尔比 例为B∶N∶Fe∶Mg∶O＝1∶(0.90～1.12)∶(0.10～0.50)∶(0.01～0.09)∶(0.01～0.09)。

按上述方案，所述的球磨工艺是将硼铁粉与氯化铵放入球磨机球磨5～24小时，球磨机 公转转速为300～500转/分，自转转速为200～300转/分。

按上述方案，所述的硼铁粉球磨前粒度为100～200目，硼含量15～25wt.％。

按上述方案，所述的压制成型工艺是利用500吨压力机，保压时间为5～30分钟。

按上述方案，所述的自蔓延反应的点燃温度为600～800℃，保温时间为5-30分钟，氮气 气氛。

本发明所用的原料硼铁粉为工业品，NH₄Cl、Fe₂O₃、镁粉以及其所用它试剂都是分析纯 或化学纯试剂。

球磨硼铁粉与NH₄Cl的混合物，可使二者充分混合。球磨后物料可能含有少量非晶态的 BN、[B-Fe-N]中间体或(HBNH)₃。球磨料再与Fe₂O₃和金属镁高速混合，其中Fe₂O₃和金属 Mg分别为自蔓延反应催化剂和还原剂。自蔓延反应制备纳米铁颗粒填充的氮化硼纳米管方程 式举例如下：

FeB₁₃+6NH₄Cl+3Mg+Fe₂O₃＝1.3BN+3MgCl₂+3Fe+3H₂O+4.7NH₃+1.95H₂    (1)

NH₄Cl→NH₃+HCl                                                 (2)