摘 要

碳化硼拥有卓越的硬度与耐热性、较低的密度、优良的耐腐蚀性、丰富的催化位点，是当前的先进陶瓷材料之一，而特殊的纳米结构能进一步增强这些特性。本研究以硼粉甲烷的催化反应为主体，合成了直径为50 - 450 nm的碳化硼线状结构，并利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段讨论了反应温度、反应时间、催化剂比例、前驱体制备方法、碳源种类等因素对产物性质的影响，同时分析了纳米线的具体结构及形成机理，为后续碳化硼纳米线的大规模制备及在电场辅助陶瓷的制备应用提供了数据参考。

关键词：碳化硼；纳米线；影响因素讨论；结构分析

Abstract

Boron carbide has excellent hardness, remarkable heat resistance, low density, great corrosion resistance and rich catalytic sites, is considered to be one of the current advanced ceramic materials. What’s more, special nanostructures can further enhance these characteristics. In this study, boron carbide nanowires with diameters ranging from 50 nm to 450 nm were synthesized successfully via catalytic reaction of boron powder with methane. By making use of various research techniques such as X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, discusses on the factors like reaction temperature, reaction time, proportion of catalyst, preparation method of the precursor, type of carbon source were carried out. At the same time, the specific structure and formation mechanism of the nanowires were analyzed in this experiment, which provided data reference for the large-scale preparation of boron carbide nanowires and application in the ceramics fabricated by electrical field-assisted methods in the future.

Key words: Boron carbide; Nanowire; Influencing factors; Structure analysis.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 碳化硼的基本信息 1

1.2.1 晶体类型与结构 1

1.2.2 基本物理性质 2

1.2.3 碳硼比系列问题 3

1.3 碳化硼纳米形貌调控的研究 4

1.3.1 无机材料特殊纳米形貌的合成研究进展 4

1.3.2 碳化硼纳米结构合成进展 7

1.3.3碳化硼纳米结构的性能与应用 8

1.4 本课题研究目的、意义和主要内容 11

1.4.1 本课题的研究目的和意义 11

1.4.2 本课题的主要研究内容 12

第2章 碳化硼纳米结构合成和研究方法 12

2.1 碳化硼非典型纳米结构的合成 12

2.1.1 实验原料 12

2.1.2 准备B -CH₄体系前驱体 12

2.1.3 准备B -GO体系前驱体 14

2.1.4 制备含碳化硼非典型纳米结构的产物 14

2.1.5含碳化硼非典型纳米结构产物的后处理 15

2.2 结构表征和性能测试。 16

2.2.2 物相分析 16

2.2.3显微结构分析 16

2.2.4 热分析 16

第3章 合成结果讨论与机理分析 17

3.1 主产物物相讨论 17

3.1.1 XRD分析 17

3.1.2 SEM-EDS分析 17

3.1.3 TEM分析 18

3.2 实验影响因素讨论 19

3.2.1 反应温度讨论 19

3.2.2 反应时间讨论 21

3.2.3 催化剂比例讨论 22

3.2.4 前驱体制备方法讨论 23

3.2.5 碳源讨论 24

3.2.6 后处理方法讨论 26

3.3 产物结构与生长制备机理讨论 27

3.3.1 产物结构分析 27

3.3.2 纳米线生长机理推测 29

3.3.3 前驱体差异探究 29

第4章 全文总结 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 引言

航天、路面交易、建筑设计、生物医疗等重要社会产业的飞速发展，轻量化、多功能化已成为当前消费器件的重要发展趋势，同时也推进了材料科学研究向结构功能成型一体化方向发展，这也就要求先进陶瓷基材料需同时具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等诸多特点^[1]。

而碳化硼（代写为B₄C）也正因其较低的密度、天然材料中仅次于金刚石与立方氮化硼的硬度、较大的中子吸收面积、优良的耐化学腐蚀性能等优越特质，可广泛应用于耐温结构、装甲防护、航空航天、能源电子等领域，潜力非凡。

由于B₄C晶体具有极高的共价键密度，因而制备条件苛刻且产物脆性显著，因此其研究多围绕生产制备、烧结成型、复合增韧方向展开。但近年来，关于B₄C纳米形貌调控合成的研究蓬勃兴起，为碳硼化合物的结构功能设计及应用领域拓宽做出了巨大贡献。

1.2 碳化硼的基本信息

1.2.1 晶体类型与结构

碳化硼晶体属于D_3d⁵R-3m空间点阵，可视为由位于三角对称菱形晶格顶点上的12原子二十面体以及沿着 [111] 菱形轴连接二十面体的3原子线性链组成，如图1.1所示。二十面体多是由硼原子构成，本质上是由两个五角形椎体结合而成，因此有极点与赤道两种位点，极点为相邻二十面体的连接点，赤道点则为二十面体与线性链的连接点^[2]。其晶格常数为a = 5.19 Å、c =12.12 Å、γ= 66°18′。因此，假设单位晶胞内12个二十面体的位点均为B原子、线性链3个位点均为C原子，那么B₁₂C₃的化学式即为B₄C^[3]。

图1.1 碳化硼晶体结构示意

1.2.2 基本物理性质

自上世纪以来学者们已对B₄C的固有性质进行了较为系统的研究，其主要参数如表1.1所示。