本文關(guān)鍵詞：B-C-N體系中新型超硬材料制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文對硼碳氮體系中可能存在的新型超硬材料進行結(jié)構(gòu)預(yù)測和實驗合成兩方面研究。采用第一性原理建立了六種穩(wěn)定的B-C-N新結(jié)構(gòu)和一種O-BN結(jié)構(gòu),并對其硬度和導(dǎo)電性進行預(yù)測;應(yīng)用高溫高壓合成技術(shù)成功制備了新型納米孿晶金剛石超硬材料,同時發(fā)現(xiàn)一種新型的M-diamond碳同素異形體,系統(tǒng)測試了納米孿晶金剛石塊體材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。應(yīng)用第一性原理預(yù)測出三種新的BC4N和三種BC6N結(jié)構(gòu)模型,微觀硬度計算結(jié)果表明它們均為潛在的超硬材料,其中o-BC4N-1結(jié)構(gòu)具有最大維氏硬度為64GPa。能帶結(jié)構(gòu)計算發(fā)現(xiàn)D-BC6N-4結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電性,R-BC4N結(jié)構(gòu)具有絕緣性,其余四種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)半導(dǎo)體性。利用第一性原理預(yù)測了一種新型的正交氮化硼結(jié)構(gòu)O-BN,計算結(jié)果表明其為具有半導(dǎo)體性的超硬材料,分析了六方BN單層的“chair”和“boat”褶皺變形而獲得O-BN的形成機制,并預(yù)測了壓縮h-BN直接獲得O-BN結(jié)構(gòu)的可能途徑。以h-BN和炭黑為原料,經(jīng)高速噴射納米化技術(shù)制備了B-C-N前驅(qū)物。在結(jié)構(gòu)預(yù)測基礎(chǔ)上,采用T25高溫高壓合成技術(shù),在15~20GPa和1600~1850℃條件下,對B-C-N前驅(qū)物進行高溫高壓合成研究。結(jié)果表明在本實驗的合成條件下沒有獲得三元B-C-N結(jié)構(gòu)相,而是獲得了納米c-BN和納米金剛石的混晶塊體材料。硬度測試發(fā)現(xiàn)混晶塊體材料中存在硬度極高的區(qū)域(維氏硬度最高達到271.6GPa),高分辨透射電鏡分析發(fā)現(xiàn)極高的硬度區(qū)域存在大量的納米金剛石孿晶結(jié)構(gòu)。應(yīng)用高速噴射納米化技術(shù),以高純炭黑為原料,成功制備出洋蔥結(jié)構(gòu)碳的納米粉體材料,其粒徑分布在20-50nm。利用所獲得的納米洋蔥結(jié)構(gòu)碳,在18~25GPa和1850~2000℃條件下成功制備出極硬的納米孿晶金剛石透明塊體材料。透射電鏡分析表明材料中含有大量的納米孿晶結(jié)構(gòu),平均孿晶厚度可達5nm。納米孿晶的存在極大地提高了材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性,其硬度比天然金剛石的硬度高出將近一倍,斷裂韌性是天然金剛石的2-3倍;起始氧化溫度比天然金剛石高200℃。在10~15GPa和1600~2000℃高溫高壓條件下,利用納米洋蔥結(jié)構(gòu)碳為原料,成功合成出黑色納米孿晶金剛石塊體材料。該材料中含有更加細小的孿晶結(jié)構(gòu),在15GPa-1850℃條件下所獲得樣品的平均孿晶厚度僅為2.5nm。微觀分析發(fā)現(xiàn)樣品中存在一種新的具有單斜結(jié)構(gòu)的M-diamond碳同素異形體。M-diamond合理分布在納米孿晶金剛石晶粒間,使其獲得極高的力學(xué)性能,其維氏硬度可高達320-340GPa,斷裂韌性達到6.5-11.9MPa·m0.5。
【關(guān)鍵詞】：BCN化合物 納米孿晶金剛石 M-diamond碳同素異形體 第一性原理 高溫高壓 硬度 氧化溫度 斷裂韌性
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ163
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 課題背景及研究意義11
• 1.2 超硬碳材料研究進展11-16
• 1.2.1 超硬碳材料的實驗研究11-15
• 1.2.2 超硬碳材料的理論研究15-16
• 1.3 超硬氮化硼材料的研究進展16-19
• 1.3.1 超硬氮化硼材料的實驗研究16-18
• 1.3.2 超硬氮化硼材料的理論研究18-19
• 1.4 超硬硼碳氮化合物的研究進展19-22
• 1.4.1 超硬硼碳氮化合物實驗研究19-20
• 1.4.2 超硬硼碳氮化合物的理論研究20-22
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容22-23
• 第2章 B-C-N體系中新結(jié)構(gòu)的預(yù)測23-44
• 2.1 引言23-24
• 2.2 BC_4N的第一性原理計算24-29
• 2.2.1 計算方法24
• 2.2.2 BC_4N的計算結(jié)果討論24-29
• 2.3 BC6N第一性原理計算29-35
• 2.3.1 計算方法29-30
• 2.3.2 計算結(jié)果討論30-35
• 2.4 氮化硼同素異形體O-BN第一性原理計算35-42
• 2.4.1 計算方法35
• 2.4.2 計算結(jié)果分析35-42
• 2.5 本章小節(jié)42-44
• 第3章 超硬C-BN/diamond混晶材料的合成與性能研究44-56
• 3.1 引言44
• 3.2 實驗方法44-45
• 3.2.1 前驅(qū)物和高溫高壓產(chǎn)物的制備44-45
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)與性能表征45
• 3.3 前驅(qū)物的表征45-48
• 3.4 C-BN/diamond混晶材料的制備與表征48-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第4章 超硬納米孿晶金剛石的合成與性能研究56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 實驗方法56-57
• 4.2.1 納米孿晶金剛石的合成56-57
• 4.2.2 結(jié)構(gòu)與性能表征57
• 4.3 納米洋蔥碳的制備與表征57-60
• 4.4 納米孿晶金剛石的合成與結(jié)構(gòu)表征及性能研究60-73
• 4.4.1 納米孿晶金剛石的合成與結(jié)構(gòu)研究60-65
• 4.4.2 納米孿晶金剛石熱穩(wěn)定性研究65-67
• 4.4.3 納米孿晶金剛石塊體的力學(xué)性能研究67-73
• 4.5 本章小結(jié)73-74
• 第5章 新型碳同素異形體M-diamond的發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)表征74-92
• 5.1 引言74
• 5.2 實驗方法74
• 5.3 新型碳同素異形體M-diamond的實驗發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)表征74-81
• 5.4 碳同素異形體M-diamond晶體的第一性原理研究81-86
• 5.5 黑色納米孿晶金剛石塊體材料的性能研究86-87
• 5.6 洋蔥碳在高溫高壓下的相轉(zhuǎn)變圖87-91
• 5.6.1 實驗方法87-88
• 5.6.2 結(jié)果分析88-91
• 5.7 本章小結(jié)91-92
• 結(jié)論92-94
• 參考文獻94-104
• 攻讀博士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果104-106
• 致謝106-107
• 作者簡介107

【參考文獻】

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 余強華;微米金剛石對碳納米蔥燒結(jié)PCD組織及性能的影響[D];燕山大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：B-C-N體系中新型超硬材料制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：372715