1、氮化硼制備方法的研究英才學院任丹丹1236002 班學號：61205202011氮化硼制備方法的研究英才學院任丹丹指導教師：楊玉林摘要：氮化硼是一種優良的絕緣材料，也是一種耐高溫材料，在耐火材料和電子工業中已得到廣泛的應用合成氮 化硼的方法有很多種。究競哪種方法更切合實際，或者在某些特定情況下更適合選擇哪種方法呢？木文從反應方向、原料價 賂以及環保等方面綜合考慮，分析并得出了切實具體的制備方案。關鍵詞：氮化硼：制備；價格：環保：反應方向。氮化硼是一種重要的III-V族化合物，該材料具有優異的物理和化學性能，如：寬帶隙、髙熱導率、 優異的抗氧化性等。氮化硼在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方

2、而具有巨大的應用前景，因此BN 納米材料的制備、納米結構的測量、納米器件的組裝、BN增韌陶瓷及光、電學性能的測試等成為當今BN 納米材料領域的重要研究方向。目前，許多國家相繼投入了大量的資金對氮化硼進行了廣泛深入的研究， 并己在B7晶體生長技術、光電器件開發、關鍵器件工藝、BN集成電路制造等方而取得了重要成果，這為 軍用電子系統和武器裝備性能的提高以及抵抗惡劣環境的電子設備提供了新型元件。一、氮化硼的優良性能與應用氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體。化學組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變 體：六方氮化硼（HBN）、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）、纖鋅礦氮化硼（

3、WBN）。氮原子和硼原子采取不同雜化方式互相作用，可形成不同結構的氮化硼晶體。當氮原子和硼原子 以SP2方式雜化后，由于鍵角為120° ,成鍵后形成與石墨類似的平而六角網狀結構分子，這種大的平面網 狀分子采取不同的空間堆垛方式后，又可形成不同的結構一六方氮化硼（HBN）和菱方氮化（RBN）。氮化硼有很多優良的性能：高耐熱性、高導熱系數、低熱膨脹系數、抗熱喪性、高溫絕緣性好（是陶 瓷中最好的高溫絕緣材料）、良好的耐腐蝕性、低的摩擦系數、可機械加工性。機械特性擁有不磨蝕、低磨耗、尺寸安全性、潤滑性佳、耐火及易加工等優點。電氣特性擁有介電強度佳、低介電常數、高頻率下低損耗、可微波穿透、良好

4、的電絕緣性等優 點。熱力特性擁有髙熱傳導、髙熱容量、低熱膨脹、抗熱沖擊、髙溫潤滑性及髙溫安左性等優點。化學特性擁有無毒、化學安泄性、抗腐蝕、抗氧化、低濕潤、生物安泄性及不沾性等優點。茨1根據以上氮化硼的務種優良性能，氮化硼類化合物在工業生產和科研上都有廣泛的用途并占據著很高 的位置。如六方氮化硼是一種耐高溫、耐腐蝕、髙導熱率、髙絕緣性以及潤滑性能優良的材料，被廣泛 地應用于石油、化工、機械、電子、電力、紡織、核工業、航天等部門。立方氮化硼更是一種集多種優 異功能于一身的多種功能材料，它的硬度僅次于金剛石，但穩左性髙于金剛石。立方氮化硼具有髙穩左 性、高熱導率、高硬度以及寬帶隙等一系列優異的性能

5、，使得它在高溫大功率半導體器件研制、短波長 和紫外光電子器件制備、熱沉材料、切削和磨削材料、耐高溫耐磨防護涂層、高通透高穩左性窗口研制 等方面具有廣闊的應用前景。二、幾種氮化硼制備方法的研究經過老一輩科研工作者的研究與探索，總結出了很多關于制備氮化硼的方法與途徑。本文就教科書中 提供的三種的方法做試探性的探究與比較匚用單質 B 與 N2反應：B(s)+ l/2N2(g)=BN(s)用 BClj 與 NH3 反應：BC13(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)用 B2O3 與 NH?反應：B2O3(s)+2NH3(g)=2BN+3HQ(g)茨2現從反應方向.原料價格、以及環保等方而綜合

6、考慮。1. 反應方向：根據熱力學原理，密閉系統在等溫等壓條件下，化學反應(包括氣體混合.溶解等)地朝吉布斯自 由能降低(Gi.P<0)方向進行。Gt,p的值越負，正反應的傾向越大。由熱力學關系式：Gt,r=H-TS, 可知，Gt,p由H與TS兩部分組成，H是等壓反應熱，T.S是等溫可逆條件下系統與環境交換的熱量, T是環境溫度。化學反應的方向是受系統的H與S兩個效應相互作用的結果。 B+ l/2N2(g)=BN(s)ArHm0= -254.39 kjmor,ArSm0= -86.8jmol.lk1ArGmO=0 時，T=2930.76K = 2657.61 °C標準狀態下： A

7、rGm0=(-228.45)-(O+O)kJ mol - 228.45RJ mol-1 <0由熱力學原理，該反應在標準狀態下是可以自發進行的。反應直接生成BN產品，不會產生有害物質 危害環境，但是要在2000C的較高溫度下反應。)另外，硼粉在氮氣氣氛中合成BN,為了使所得反應物 晶粒均勻，減少基體開裂或彎曲變形的程度，就要控制升溫速率緩慢、均勻，以使生成的BN充分擴散。 BC13(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)ArHm®= - 47.23 kj-mol1 ArSm0= 173.91 j - mol- lk1恒有 ArGm0<O標準狀態下：ArGm0=(-2

8、2845)+3X(-9530)4(-3887)+(-1648)kJ - mol1=-109.17kJ mol-<0根據熱力學原理,此反應在標準狀態下可以自發進行(該反應比單質B與N2直接反應的自發程度小), 并且由于是由氣體反應生成氮化硼BN固體，所以生成的BN產品純度較高(純度98%左右)，同時反應生 成的HC1氣體經加熱后也很容易去除。 B2O3(s)+2NH3(g)=2BN (s)+3H2O(g)ArHm0= 199. 9kj moNArSmO=3192j mol J k“ArGm0=O 時，T=626.25K-353.KC標準狀態下：ArGni0=2X(.228.45)+3(-2

9、37.18)-(-H94.3)+2X(.16.48)kJ - mor1 =58.82kJ mol-1 >0根據熱力學原理，該反應在標準狀態下是不能自發進行的。2. 原料價格： B單質的價格：不圧形99% 8000元/kg；結晶形99% 18000元/kg：單質N2價格:99. 999%的氮氣0.016667元/L經計算制備lmolBN需92元。 BCb價格：700元/LNH3價格：0.08元/L經計算制備lmolBN需15681元。 B2O3價格：22000元/噸，即0.0022元/ gNH3價格：0.08元/ L經計算制備lmolBN需36元。綜合上述計算，第三種制備BN的方法所需要的

10、原料費用最少，所以從原料價格這方而來評估第三種 方法最合適。3. 環保：從環保的角度看，第一種制備方法毋庸置疑是最好的，無論是在原料中還是在產物中均不存在污染性 物質。而方法二和方法三的原料中均用到了 NH）,方法二的產物中還存在HC1氣體。氨氣是一種有毒氣體，無色有刺激性惡臭像臭雞蛋味，或者腐敗的化學品味。比空氣輕，極易溶于水, 易液化。氨和空氣混合物達到上述濃度范囤遇明火會加燒和爆炸，如有油類或其它可燃性物質存在則危險 性更高。與硫酸或英它強無機酸反應放熱，混合物可達到沸騰。除了燃燒和爆炸危險外，氨氣吸入人體會 引起急性中毒。輕者出現流淚、咽痛、聲音斯啞、眼結膜或咽部充血水腫、支氣管炎、呼

11、吸困難、肺炎、 昏迷、休克、喉頭水腫或支氣管粘膜壞死脫落窒息、組織溶解壞死等。而氯化氫氣體做為酸性氣體，會腐蝕鋼材、加劇酸雨、危害人體健康。所以，若是大規模生產，從環保和安全的角度考慮，選擇方法一來制備BN是不錯的選擇。4. 綜合結論：綜合上述各方而考慮，得出以下結論：反應條件原料價格安全環保方法一2000 °C92 元/mol優方法二標況自發15681 元/molHCL、NHs方法三353 C36 元/molNH3表3綜合考慮，方法三似乎更具備可行性，反應條件不苛刻，原料便宜，而唯一的技術性問題是解氣 的控制與吸收。當然，這個問題早已經在科學技術的飛速發展下得到了解決。目前，除去或

12、回收氨氣的方 法有很多。如利用硝化細菌去除泄露的氨氣。利用分離、純化得到的硝化細菌，加入到人工模擬的生活垃 圾中，通過其自身的氧化作用將氨氣轉變為硝酸，有效達到除臭作用，最髙去除率為41%,在城市生活垃 圾的生物處理中具有較好的應用前景。這是科研人員研究的氨氣的去除方法。當然，我們也可以對英進 行回收再利用。當今，市而上有很多，回收氨氣的裝置。如用于烷基硫代磷酸鈉生產的簡易氨氣吸收裝置, 包括盛吸收液的容器，所述容器的上壁設有吸收液進口，所述吸收液進口配有密封蓋,所述容器壁上設有排 氣孔和氨氣進孔,所述氨氣進孔設有一個氣體吸收管，所述氣體吸收管伸入所述吸收液液面以下，所述氣體 吸收管的下部側壁上設有多個出氣孔。這是廠家研發的氨氣回收裝置，我們可以在制備BN時，對此類 裝置進行利用，達到很好的制備效果。另外，在制備過程中要注意對三氧化二硼的保存，它是無色玻璃狀 晶體或粉末，熔點450C。具有強烈吸水性而轉變為硼酸，故應于干燥環境下密閉保存，應注意防止吸水 變質導致含量下降。分析研究后，本文推薦方案三即利用三氧化二硼與氨氣反應來制備氮化硼。參考文獻：1 :強亮生，徐崇泉工科大學化學一2版.一北京.高等教育出版社,2009. 42 :郭勝光，呂波，王積森.寧洪濤，徐慶莘.氮化硼合成及應用的研究.試驗與研 究.