Бета-нитрид углерода (β-C 3 N 4 ) - это сверхтвердый материал, который, по прогнозам, тверже алмаза. [1]
Материал был впервые предложен в 1985 году Эми Лю и Марвином Коэном . Изучая природу кристаллических связей, они предположили, что атомы углерода и азота могут образовывать особенно короткую и прочную связь в стабильной кристаллической решетке в соотношении 1: 1,3. То, что этот материал будет тверже алмаза по шкале Мооса, было впервые предложено в 1989 году [2].
Этот материал считался трудным для производства и не мог быть синтезирован в течение многих лет. Недавно было достигнуто производство бета-нитрида углерода. Например, наноразмерные кристаллы бета-нитрида углерода и наностержни из этого материала были приготовлены с использованием метода механохимической обработки. [3] [4] [5] [6]
Производство [ править ]
Обработка [ править ]
С помощью процесса механохимической реакции можно синтезировать β-C 3 N 4 . Этот метод достигается путем измельчения в шаровой мельнице высокочистых графитовых порошков до аморфных наноразмеров в атмосфере аргона, затем продувается аргон и графитовые порошки вводятся в атмосферу газообразного NH 3 , которая после высокоэнергетической шаровой мельницы была Обнаружено, что он образует наноразмерную хлопьевидную структуру β-C 3 N 4 . [5] Во время измельчения, разрушения и сварки реагентов и частиц графитового порошка неоднократно происходят столкновения шариков с порошком. Пластическая деформациячастиц графитового порошка возникают 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 до одноатомного азота 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 3 N 4 . [6]
Производство наностержней [ править ]
Монокристаллические наностержни β-C 3 N 4 могут быть сформированы после термического отжига порошкообразного или 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 указывает на призматическую морфологию их сечения. Было обнаружено, что они содержат аморфные фазы, однако при отжиге до 450 градусов Цельсия в течение трех часов в атмосфере NH 3В атмосфере количество аморфной фазы практически не уменьшилось. Эти наностержни являются плотными и двойниковыми, а не нанотрубками. Синтез этих наностержней посредством термического отжига обеспечивает эффективный, недорогой и высокопроизводительный метод синтеза монокристаллических наностержней. [6]
Альтернативные методы синтеза [ править ]
Вместо образования порошка или наностержня соединение нитрида углерода можно альтернативно формировать в тонких аморфных пленках с помощью технологии ударно-волнового сжатия, пиролиза предшественников с высоким содержанием азота, диодного распыления, сольвотермической подготовки, импульсной лазерной абляции или ионной имплантации . [6]
Трудности обработки [ править ]
Хотя сообщалось об обширных исследованиях процесса и синтеза образующегося нитрида углерода, концентрация азота в соединении, как правило, ниже идеального состава для C 3 N 4 . 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. [5] [6]
Характеристики [ править ]
Структура [ править ]
Структура была определена с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье , просвечивающей электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей . Используя SAED , можно определить поликристаллический β-C 3 N 4 с постоянной решетки a = 6,36 Å, c = 4,648 Å. Термический отжиг может использоваться для преобразования чешуйчатой структуры в сферическую или стержневую структуру. [5]
Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и β-Si 3 N 4, с гексагональной сеткой из тетраэдрически (sp 3 ) связанного углерода и тригонального плоского азота (sp 2 ). [6]
Наностержни, как правило, прямые и не содержат других дефектов. [6]
Свойства [ править ]
Твердость, равная или превышающая твердость алмаза (самого твердого известного материала [2] ), была предсказана, но еще не продемонстрирована.
Модуль объемной упругости алмаза составляет 4,43 МБар, в то время как β-C 3 N 4 имеет только модуль объемной упругости 4,27 МБар (± 0,15). Это наиболее близкий по задумке модуль объемной упругости к алмазу. [2]
Возможные приложения [ править ]
Перспективен в области трибологии , износостойких покрытий, оптики и электронной техники. [6]
Возможности создания композитов также существуют с использованием TiN в качестве затравочных слоев для нитрида углерода, что позволяет получать реальные кристаллические композиты с твердостью на уровне 45-55 (ГПа), что соответствует нижнему краю алмаза. [2]
Прогнозируемая твердость чистого бета-нитрида углерода (4,27 ± 0,15 мбар ) аналогична твердости алмаза (4,43 мбар), что дает ему возможность быть полезным в тех же областях, что и алмаз. [2]
См. Также [ править ]
- Графитовый нитрид углерода
- Гетеродиамон
- Сверхтвердые материалы
Ссылки [ править ]
- ↑ Болл, П. (5 июня 2000 г.). «Новости: Хрустящая начинка» . Природа . DOI : 10.1038 / news000511-1 .
- ^ a b c d e Лю, AY; Коэн, ML (1989). «Прогноз новых твердых тел с низкой сжимаемостью» . Наука . 245 (4920): 841–842. DOI : 10.1126 / science.245.4920.841 . PMID 17773359 .
- ^ Niu, C .; Лу, YZ; Либер, CM (1993). «Экспериментальная реализация ковалентного твердого нитрида углерода» . Наука . 261 (5119): 334–337. DOI : 10.1126 / science.261.5119.334 . PMID 17836844 .
- ^ Martín-Gil, J .; Martín-Gil, FJ; Сарикая, М .; Qian, M .; José-Yacamán, M .; Рубио, А. (1997). «Доказательства наличия нитрида углерода низкой сжимаемости с дефектной структурой цинковой обманки» . Журнал прикладной физики . 81 (6): 2555–2559. DOI : 10.1063 / 1.364301 . Архивировано из оригинала на 2012-07-13 . Проверено 6 ноября 2018 .
- ^ а б в г Инь, LW; Ли, MS; Лю, YX; Sui, JL; Ван, JM (2003). «Синтез наноразмерных кристаллов бета-нитрида углерода посредством механохимической реакции». Журнал физики: конденсированное вещество . 15 (2): 309–314. DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 15/2/330 .
- ^ Б с д е е г ч Инь, LW; Bando, Y .; Ли, MS; Лю, YX; Ци, YX (2003). «Уникальные монокристаллические наностержни бета-нитрида углерода». Современные материалы . 15 (21): 1840–1844. DOI : 10.1002 / adma.200305307 .
| NH 3 N 2 H 4 | Он (N 2 ) 11 | ||||||||||||||||
| Ли 3 Н | Be 3 N 2 | BN | β-C 3 N 4 г-C 3 N 4 C x N y | № 2 | N x O y | NF 3 | Ne | ||||||||||
| Na 3 N | Mg 3 N 2 | AlN | Si 3 N 4 | PN P 3 N 5 | S x N y SN S 4 N 4 | NCl 3 | Ar | ||||||||||
| К 3 Н | Ca 3 N 2 | ScN | Банка | VN | CrN Cr 2 N | Mn x N y | Fe x N y | Против | Ni 3 N | CuN | Zn 3 N 2 | GaN | Ge 3 N 4 | В виде | Se | NBr 3 | Kr |
| Руб. | Sr 3 N 2 | YN | ZrN | NbN | β-Mo 2 N | Tc | RU | Rh | PdN | Ag 3 N | CdN | Гостиница | Sn | Sb | Te | NI 3 | Xe |
| CS | Ba 3 N 2 | Hf 3 N 4 | TaN | WN | Re | Операционные системы | Ir | Pt | Au | Hg 3 N 2 | TlN | Pb | BiN | По | В | Rn | |
| Пт | Ra 3 N 2 | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Ур. | Ц | Og | |
| ↓ | |||||||||||||||||
| Ла | CeN | Pr | Nd | Вечера | См | Евросоюз | GdN | Tb | Dy | Хо | Э | Тм | Yb | Лу | |||
| Ac | Чт | Па | U 2 N 3 | Np | Пу | Являюсь | См | Bk | Cf | Es | FM | Мкр | Нет | Lr | |||
