[发明专利]一种超硬复合相氮化碳纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬复合相氮化碳纳米线的制备方法，主要应用于纳米材料和陶瓷材料制备领域，对超硬氮化碳及其复合材料的合成与应用具有重要意义。

背景技术

超硬材料一般是指硬度可以和金刚石相媲美的材料。目前已经能够商用的超硬材料主要是金刚石和立方氮化硼两种材料。与其他硬质材料（例如：用于模具材料的碳化硅、刚玉和用于制备刀具材料的硬质合金、高速钢材等硬质工具材料）相比，金刚石和立方氮化硼的硬度远远高于此类硬质材料。因此，超硬材料很适合用来制备加工其它材料的工具，这类工具已经在工业上得到了广泛的应用并具有重要的地位。另一方面，每种特殊的超硬材料都具有其本身独特的光、热、电、磁学等方面的性能，也是一类重要的功能材料。

上个世纪九十年代初，以β-Si₃N₄的结构为基础，Liu等人利用第一性原理计算并预测了所有硅原子被碳原子替换后的β-Si₃N₄的材料，即β-C₃N₄的理论硬度，其硬度和金刚石的硬度相当甚至超过了金刚石。随后，Teter等人也同样利用第一性原理计算结构的基础上预测C₃N₄存在α-C₃N₄、β-C₃N₄、c-C₃N₄、p-C₃N₄和石墨相g-C₃N₄五种结构，其中前四种材料都属于超硬材料。C₃N₄是一类自然界不存在的新材料，理论研究表明，其拥有优异的物理和化学性质，例如高硬度、低摩擦系数、宽能带，无毒性等性质，这些性质使得C₃N₄材料在力学材料、光电材料、生物工程、航空航天等领域具有重要的应用前景。

近年来，对C₃N₄材料研究主要集中在石墨相g-C₃N₄材料的合成，表征和应用研究，而对其它结构的超硬C₃N₄材料的合成和应用研究比较少。主要原因是高纯度的g-C₃N₄材料可以比较容易的通过低温热解的方法制备得到，而其它结构的晶态C₃N₄材料制备比较困难。因此，超硬C₃N₄材料的研究大部分集中于其薄膜材料的制备和性能研究。现在已经报道了多种制备超硬C₃N₄薄膜的方法，主要包括化学气相沉积（微波等离子体、热丝辅助、同步辐射、射频放电等）和物理气相沉积（磁控溅射、激光等离子体、激光烧蚀、双离子溅射等）。至于超硬C₃N₄粉体的制备方法，已经报道的主要包括爆炸冲击波合成法、脉冲放电与高速冲击法、溶剂热法、机械合金化法、碳纳米管取代法等。

爆炸冲击波合成、脉冲放电和高速冲击合成制备得到的C₃N₄很难获得比较理想的碳氮化学计量比例，杂质较多，纯度不够，制备工艺对设备和实验要求也比较高。机械合金方法需要在高压氮源保护下长时间球磨，球磨中的碳、铁等元素以多种形式的杂质化合物存在且很难除去。碳纳米管取代法一般需要在高温条件下(约1300℃)退火，该方法原料昂贵，产物中包含有石墨相氮化碳。溶剂热法基本可以保证产物中合理的配比，杂质也比较容易从后续处理中除去，但是通过这种方法一般需要溶剂作为液相反应介质，制备得到的产物一般为石墨相或石墨相与其它相态的氮化碳结构。因此，需要找到一种有效的合成方法来制备高纯度的超硬C₃N₄粉体，只有解决了这一主要难题，我们才能够进一步研究其结构、形貌和对应的物理、化学特性。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现有技术中的不足所提供得一种超硬复合相氮化碳纳米线的制备方法，以简单易得、无毒性的高聚物作为碳源，不需要液相有机试剂作为反应溶剂，在较低的温度下即可催化制备得到α/β复合相超硬氮化碳纳米线，纳米线平均直径为15nm，具有较大的长径比。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：