论文摘要
本论文综述了氮化硼纳米管（BNNTs）的结构、主要合成方法、基本性能和潜在应用领域，在前人的研究基础之上，首次采用自蔓延法（SHS）合成含硼原料和硼源-催化剂多孔前驱体、再经过退火法选择性控制宏量合成了四种结构类型的BNNTs，提出了生长机理，主要结果如下：1、采用含有硼源、碱土金属和过渡金属催化剂的原料混合后通过SHS烧结制备硼源-催化剂多孔前驱体，例如得到的B-Mg-Fe多孔前驱体主要元素摩尔比为Mg:Fe:B=1:（0.101.65）:（0.331.95），孔径范围为1nm5mm，抗压强度范围为1.022.50MPa，体积密度范围为1.255.50g/cm3。作为宏量合成BNNTs的起始原料，硼源-催化剂多孔前驱体的制备工艺包括混合和烧结两个步骤，工艺简单、成本低廉，适合工业化生产。此外，为得到硼源原料，通过一种新颖的合成方法——反应稀释SHS法，制备了纳米级（2080nm）、高纯度（≥95wt%）且粒径均匀的非晶硼粉；以B2O3为硼源，CaCl2和Ca（OH）2为钙源，利用SHS法制备出了亚微米级的CaB6，避免了反应产物颗粒烧结和团聚。2、通过采用不同前驱体退火（SHS-CVD）制备了不同结构类型的BNNTs。分别采用B18Ca2（MgO）9、B18Fe4Ca3O6、B18Fe2Mg（MgO）21和B12Mg2（MgO）9四种前驱体体系，通过SHS-CVD方法在10501180℃退火6h左右分别制备了空心型、竹节型、泡节型和波纹型BNNTs，产率大于80wt%，管状氮化硼含量大于80wt%。3、提出了氮化硼纳米管的三种生长机理模型，即base、 tip和base-tip生长模型。通过催化剂液滴的压力诱导-突变机制解释了纳米管生长速率变化与其结构之间的对应关系。稳定的生长速率可得到空心型纳米管，而突变的生长速率得到其它三种类型的纳米管。提出了多孔前驱体大量合成BNNTs的机理，解释了能够宏量制备BNNTs的原因。4、实现选择性控制宏量合成不同类型的BNNTs，并设计了合成BNNTs的关键设备——立式列管退火反应炉。以B31Fe17（MgO）27多孔前驱体为原料，使用立式单管退火反应炉，通过控制反应温度范围为10001200℃、反应时间范围为612h、NH3或NH3/N2流量范围为0.510L/min，分别制备得到了空心型（平均直径约为100nm，长度大于10μm）、竹节型（平均直径约为50nm，长度大于5μm）、泡节型（平均直径约为80nm，长度大于5μm）和波纹型（平均直径约为150nm，长度大于5μm）BNNTs。纯度均约为80wt%，最高可以达到90wt%，单批产量最高可达到一公斤左右。我们研制的BNNTs样品已经在意大利科技大学AriannaMenciassi研究组得到应用并取得了很好的实验结果。另外我们正积极与国内相关企业洽谈产学研事宜，有望达成具体合作方案并投入试产。