Бета-нитрид углерода - Beta carbon nitride

Схема (β-C₃N₄). 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-C₃N₄) это сверхтвердый материал предсказано, что он тверже алмаза.^[1]

Материал был впервые предложен в 1985 году Эми Лю и Марвин Коэн. Изучение природы кристаллический облигации они предположили, что углерод и азот атомы могут образовывать особенно короткую и прочную связь в стабильной кристаллическая решетка в соотношении 1: 1,3. Что этот материал будет тяжелее, чем алмаз на Шкала Мооса был впервые предложен 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

Обработка

В результате механохимической реакции β-C₃N₄ можно синтезировать. Этот метод достигается шаровая мельница высокочистые графитовые порошки вплоть до аморфного наноразмерного размера в атмосфере аргона, затем аргон очищается, и графитовые порошки вводятся в NH₃ газовая атмосфера, которая после высокоэнергетической шаровой мельницы, как было обнаружено, образует наноразмерную хлопьевидную структуру β-C₃N₄.^[5] Во время измельчения, разрушения и сварки реагентов и частиц графитового порошка неоднократно происходят столкновения шариков с порошком. Пластическая деформация частиц 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 образуются субзерна нанометрового размера. Высокое давление и интенсивное движение способствует каталитический диссоциация NH₃ молекулы 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 β-C₃N₄ порошок.^[6]

Производство наностержней

Монокристалл β-C₃N₄ наностержни могут быть сформированы после того, как порошкообразное или чешуйчатое соединение термически отожженный с NH₃ поток газа. 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 под NH₃ В 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

Вместо того чтобы формировать порошок или наностержень, соединение нитрида углерода можно альтернативно формировать в тонких аморфных пленках с помощью технологии ударно-волнового сжатия, пиролиз прекурсоров с высоким содержанием азота, диодное напыление, сольвотермальный препарат, импульсный лазер абляция, или ионная имплантация.^[6]

Трудности обработки

Хотя сообщалось о обширных исследованиях процесса и синтеза образующегося нитрида углерода, концентрация азота в соединении, как правило, ниже идеального состава для C₃N₄. Это связано с низким термодинамическая стабильность относительно элементов C и N₂, обозначенный положительным значением энтальпии образования. Коммерческое использование нанопорошков очень ограничено высокой стоимостью синтеза наряду со сложными методами производства, которые приводят к низкому выходу.^[5]^[6]

Характеристики

Структура

Структура была определена Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье, просвечивающая электронная микроскопия, и дифракция рентгеновских лучей. Используя САЭД, поликристаллический β-C₃N₄ с постоянной решетки a = 6,36 Å, c = 4,648 Å. Термический отжиг могут использоваться для преобразования чешуйчатой структуры в сферическую или стержнеобразную.^[5]

Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и β-Si.₃N₄ с шестиугольник сеть тетраэдрически (sp³) связанный углерод и тригональный планарный азот (sp²).^[6]

Наностержни, как правило, прямые и не содержат других дефектов.^[6]

Свойства

Твердость равна или выше алмазов (самый твердый из известных материалов.^[2]) было предсказано, но еще не продемонстрировано.

В объемный модуль алмазов составляет 4,43 МБар, в то время как β-C₃N₄ имеет только объемный модуль упругости 4,27 МБар (± 0,15). Это наиболее близкий к алмазу модуль объемной упругости.^[2]

Возможные применения

Перспективно в области трибология, износостойкие покрытия, оптическая и электронная техника.^[6]

Возможности создания композитов 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.^[2]

Прогнозируемая твердость для чистого бета-нитрида углерода (4,27 ± 0,15 Мбар ) аналогичен алмазу (4,43 мбар), что дает ему возможность быть полезным в тех же областях, что и алмаз.^[2]

Смотрите также

использованная литература

^ Болл, П. (5 июня 2000 г.). «Новости: Хрустящая начинка». Природа. Дои:10.1038 / news000511-1.
^ ^а ^б ^c ^d ^е Liu, A. Y .; Коэн, М. Л. (1989). «Прогноз новых твердых тел с низкой сжимаемостью». Наука. 245 (4920): 841–842. Дои:10.1126 / science.245.4920.841. PMID 17773359.
^ Niu, C .; Lu, Y. Z .; Либер, К. М. (1993). «Экспериментальная реализация ковалентного твердого нитрида углерода». Наука. 261 (5119): 334–337. Дои:10.1126 / science.261.5119.334. PMID 17836844.
^ Martín-Gil, J .; Martín-Gil, F.J .; Сарикая, М .; Qian, M .; José-Yacamán, M .; Рубио, А. (1997). «Доказательства наличия нитрида углерода с низкой сжимаемостью и дефектной цинковой обманкой». Журнал прикладной физики. 81 (6): 2555–2559. Дои:10.1063/1.364301. Архивировано из оригинал на 2012-07-13. Получено 2018-11-06.
^ ^а ^б ^c ^d Инь, L.W .; Ли, М. С .; Лю, Y. X .; Sui, J. L .; Ван, Дж. М. (2003). «Синтез наноразмерных кристаллов бета-нитрида углерода посредством механохимической реакции». Журнал физики: конденсированное вещество. 15 (2): 309–314. Дои:10.1088/0953-8984/15/2/330.
^ ^а ^б ^c ^d ^е ^ж ^г ^час Инь, L.W .; Bando, Y .; Ли, М. С .; Лю, Y. X .; Ци, Ю. X. (2003). «Уникальные монокристаллические наностержни бета-нитрида углерода». Передовые материалы. 15 (21): 1840–1844. Дои:10.1002 / adma.200305307.