Бета-нитрид углерода

редактировать

Диаграмма (β-C 3N4). Этот рисунок представляет один слой в трехмерной молекуле. Каждый атом углерода имеет четыре связи, а каждый атом азота - три; связи, не изображенные на этой диаграмме, относятся к атомам в слое выше или ниже этого.

Бета-нитрид углерода (β-C 3N4) - это сверхтвердый материал, который, согласно прогнозам, будет более твердым, чем алмаз.

Материал был впервые предложен в 1985 году Эми Лю и Марвин Коэн. Изучая природу кристаллических связей, они предположили, что атомы углерода и азота могут образовывать особенно короткую и прочную связь в стабильной кристаллическая решетка в соотношении 1: 1,3. То, что этот материал будет тверже, чем алмаз по шкале Мооса, было впервые предложено в 1989 году.

Материал считался трудным для производства и не мог быть синтезирован для много лет. Недавно было достигнуто производство бета-нитрида углерода. Например, наноразмерные кристаллы бета-нитрида углерода и наностержни этого материала были приготовлены с помощью метода, включающего механохимическую обработку.

Содержание

1 Производство
- 1.1 Обработка
- 1.2 Производство наностержней
- 1.3 Альтернативные методы синтеза
- 1.4 Трудности обработки
2 Характеристики
- 2.1 Структура
- 2.2 Свойства
3 Возможные применения
4 См. также
5 Ссылки

Производство

Обработка

Посредством процесса механохимической реакции можно синтезировать β-C 3N4. Этот метод достигается посредством измельчения в шаровой мельнице порошков графита высокой чистоты до аморфного наноразмерного размера в атмосфере аргона, затем продувают аргон и графитовые порошки вводят в NH 3 газовая атмосфера, которая после высокоэнергетической шаровой мельницы, как было обнаружено, образует наноразмерную хлопьевидную структуру β-C 3N4. Во время измельчения, разрушения и сварки реагентов и частиц графитового порошка неоднократно происходят столкновения шариков с порошком. Пластическая деформация частиц графитового порошка происходит из-за разложения полос сдвига на субзерна, которые разделены малоугловыми границами зерен, дальнейшее измельчение уменьшает размер субзерен до тех пор, пока не сформируются субзерна нанометрового размера. Высокое давление и интенсивное движение способствуют каталитической диссоциации молекул NH 3 в одноатомный азот на изломанной поверхности углерода. Наноразмерные углеродные порошки действуют существенно иначе, чем их основной материал, из-за размера частиц и площади поверхности, заставляя наноразмерный углерод легко реагировать со свободными атомами азота, образуя порошок β-C 3N4.

Получение наностержней

Монокристаллические наностержни β-C 3N4могут быть сформированы после термического отжига хлопьевидного соединения в потоке газа NH 3. Размер наностержней определяется температурой и временем термического отжига. Эти наностержни растут быстрее в направлении оси, чем в направлении диаметра, и имеют полусферические концы. Поперечное сечение наностержней свидетельствует о призматической морфологии их сечения. Было обнаружено, что они содержат аморфные фазы, однако при отжиге до 450 градусов Цельсия в течение трех часов в атмосфере NH 3 количество аморфной фазы уменьшилось почти до нуля. Эти наностержни являются плотными и двойниковыми, а не нанотрубками. Синтез этих наностержней посредством термического отжига обеспечивает эффективный, недорогой и высокопроизводительный метод синтеза монокристаллических наностержней.

Альтернативные методы синтеза

Вместо формирования порошка или наностержня, соединение нитрида углерода может быть альтернативно образовано в тонких аморфных пленках с помощью технологии ударно-волнового сжатия, пиролиза прекурсоров с высоким содержанием азота, диодного распыления, сольвотермического приготовления, импульсного лазера абляция, или ионная имплантация.

Трудности обработки

Хотя сообщалось об обширных исследованиях процесса и синтеза образующегося нитрида углерода, концентрация азота в соединении, как правило, ниже идеальный состав для C 3N4. Это связано с низкой термодинамической стабильностью по отношению к элементам C и N 2, на что указывает положительное значение энтальпий образования. Коммерческое использование нанопорошков очень ограничено высокой стоимостью синтеза наряду со сложными методами производства, которые приводят к низкому выходу.

Характеристики

Структура

Структура была определена инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье, просвечивающая электронная микроскопия и дифракция рентгеновских лучей. Используя SAED, можно определить поликристаллический β-C 3N4с постоянной решетки a = 6,36 Å, c = 4,648 Å. Термический отжиг может использоваться для преобразования чешуйчатой структуры в сферическую или стержнеобразную структуру.

Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и β-Si 3N4с гексагональная сетка из тетраэдрически (sp) связанного углерода и тригонального плоского азота (sp).

Наностержни обычно прямые и не содержат других дефектов.

Свойства

Твердость, равная или превышающая твердость алмаза (самого твердого известного материала), была предсказана, но еще не продемонстрирована.

модуль объемной упругости алмаза составляет 4,43 МБар, в то время как β-C 3N4имеет только модуль объемной упругости 4,27 МБар (± 0,15). Это наиболее близкий по задумке модуль объемной упругости к алмазу.

Возможные применения

Перспективны в области трибологии, износостойких покрытий, оптической техники и электронной техники.

Возможности композитных материалов также существуют с использованием TiN в качестве затравочных слоев для нитрида углерода, что позволяет получать реальные кристаллические композиты с твердостью 45-55 (ГПа), что соответствует нижнему краю алмаза.

Прогноз твердость для чистого бета-нитрида углерода (4,27 ± 0,15 мбар ) аналогична твердости алмаза (4,43 мбар), что дает ему возможность быть полезной в тех же областях, что и алмаз.

См. Также

Ссылки

Соли и ковалентные производные иона нитрида

NH3. N2H4

He (N 2)11

Li3N

Be3N2

β-C 3N4. gC 3N4. CxNy

NxOy

NF3

Na3N

Mg3N2