[发明专利]一种纳米金刚石表面硼化的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料加工领域，公开了一种纳米金刚石表面硼化的方法。

背景技术

爆轰法合成的纳米金刚石粉体材料既表现出传统方法合成的金刚石的特性，同时兼备纳米粒子的性能[参考：陈权,挥寿榕.炸药爆轰合成纳米金刚石及其应用[J].人工晶体学报,2000,29(1):90-93]。由于具有良好的热传导性、低热膨胀系数、高介电系数、高硬度、良好的机械特性、化学稳定性等优点，在电镀、复合镀、电子器件、超精密抛光、润滑、甚至医学生物学等领域，纳米金刚石均具有广泛的应用价值。然而，由于纳米金刚石的比表面积较大，抗氧化能力随着温度上升而急剧降低，这极大地限制了纳米金刚石的应用。

纳米金刚石的抗氧化能力或热稳定性，是表征评价纳米金刚石化学活性的一个重要指标。由不同生产条件所获得的纳米金刚石的热稳定性略有差别，已有研究表明，在不同保护条件下制备的纳米金刚石在空气中的起始氧化温度在500℃至530℃之间，终止氧化温度在762℃至790℃之间[参考：邹芹.新型碳纳米粒子制备及结构演变规律[D].燕山大学博士论文，2010]。如：保护条件为包裹水的爆轰合成纳米金刚石起始氧化温度528℃，终止氧化温度790℃；保护条件为包裹盐时，起始氧化温度500℃，终止氧化温度786℃；保护条件充氮气时，起始氧化温度500℃，终止氧化温度762℃；保护条件为充CO₂时，起始氧化温度515℃，终止氧化温度768℃。一般宏观大尺寸金刚石在空气中起始氧化温度为800℃，可见纳米金刚石起始氧化温度比大尺寸金刚石低的多，这主要是由纳米金刚石表面超强的化学活性、晶体结构的严重不完整性、比表面积大等因素造成的。

对于常规大颗粒金刚石，采用硼包裹或在合成中掺加硼元素是提高其抗氧化性能的有效手段。通常，含硼金刚石与普通金刚石相比，具有抗氧化性强、耐热性好、化学惰性好、抗压性能佳和半导体性能优异等特点，可在更高温度和恶劣环境下正常工作[参考：宫建红.含硼金刚石单晶的微观结构、性能与合成机理的研究[D].山东大学博士论文，2006.]。含硼金刚石表面的起始氧化温度比普通金刚石的高150～250℃，其原因是硼原子与金刚石表面上的碳原子形成硼碳共价键，没有多余价电子与外来缺电子的氧原子发生反应，使金刚石处于稳定状态，因而可提高了抗高温性能。目前，国内外也对金刚石膜掺硼进行了大量研究，通常是采用化学气相沉积方法(CVD)来制备掺杂金刚石膜。如微波等离子体CVD法，其特点是单位体积电子密度高，原子态H浓度大，能在较大气压下产生稳定的等离子体，金刚石膜质量较好，但生长速率低，成膜面积难以扩大，设备复杂[Meny Y,Anthony T R.The physical characterization of the(111)and(100)textured diamond films synthesized by two optimal conditions[J].Material Chemical Physics,1999,60(2):143-149.]。在这些硼掺杂技术中，可使用的硼源有气态、固态和液态[参考：褚向前.EACVD掺硼金刚石膜制备及加工性研究[D].南京:南京航空航天大学硕士论文,2004.]。一般气态硼源都具有毒性，液态硼源毒性较轻但具有腐蚀性，甚至会产生污染。固态硼源(如：三氧化二硼、氮化硼、单质硼等)的掺杂方法分为两种，一种是通常将硼源置于反应室，高温气化后，与反应气体混合；二是将固态含硼物质溶于某种挥发性液体中，采用气体携带的方式进入反应室。采用固体硼源的优点是无毒、无腐蚀性。

从上述已有研究可见，向金刚石表面掺杂硼，可以提高金刚石的抗氧化性能和热稳定性，且掺杂技术方法较多。但现有的技术大多是大尺寸的金刚石颗粒为研究对象，或向金刚石膜中掺硼元素的，对于纳米金刚石尚无表面硼包裹方法的研究。然而，从纳米金刚石的特点来看，其热稳定较低，抗氧化能力也较差，所以更有必要研究提高其热稳定性的方法，以促进纳米金刚石的应用。

发明内容

本发明的目的是发明一种纳米金刚石表面硼化的方法，以提高纳米金刚石热稳定性。

本发明的技术方案：

本发明方法的技术原理是：

一是，纳米金刚石是直径为5～20nm纳米形态的团聚粉末，比表面积很大，与硼源均匀接触困难。但纳米金刚石表面含有大量的羟基、羧基等亲水基团，可以采用水溶性硼源制成含硼水溶液，以含硼水溶液与纳米金刚石混合，可使纳米金刚石表面均匀浸渍上硼源；同时，高温煅烧后多余的硼源也便于用水清洗除去。