氮化硼合成及应用的研究样本

关于氮化硼合成方案讨论摘要：氮化硼是一种耐腐蚀材料，也是一种优良绝缘材料，强度高，耐腐蚀性好。在当代工业中，氮化硼已广泛应用在在耐火材料和电子工业中得到广泛应用。如下三个反映均可以制备氮化硼：B(s）+1/2N2(g)=BN(s)；BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)；B2O3（s）+2NH3（g）=2BN(s)+3H2O(g)；本文将从反映方向、原料价格以及环保等方面综合考虑，对以上三种方式进行比较分析。核心词：氮化硼；制备方案；反映方向；原料价格；环保一、氮化硼分类、性质及应用1．BN分类、性质氮化硼，化学式为BN，有别称“白石墨”，是一种性能优秀并有很大发展潜力新型陶瓷材料，涉及5种异构体，分别是六方氮化硼(h—BN)，纤锌矿氮化硼(w—BN)，三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c．BN)和斜方氮化硼(o．BN)[1]。常说氮化硼普通指是立方氮化硼或六方氮化硼。1．1六方氮化硼具备类似石墨层状晶体构造，其物理化学性质也与石墨类似，常态时是白色粉末状，呈松散、润滑、易吸潮、质轻等性状。此外，在导热性、耐高温性、化学稳定性方面也类似石墨。固然，它性质与石墨也不尽相似。例如，氮化硼是一种优良绝缘材料，而石墨有良好导电性。[2]1．2立方氮化硼立方氮化硼有优秀物理化学性能，硬度仅次于金刚石，此外还具备很高强度，在许多领域中有应用前景。[3]此外，立方氮化硼是当前使用温度最高半导体材料，具备高导热性和良好半导体特性。但是既有制备办法又都存在着难于克服固有缺陷，以至于不易使其得到广泛运用。[3]BN应用一作为半导体固相掺杂材料、抗氧化或抗水润滑脂。二高温润滑剂和模型脱模剂，氮化硼粉末还可以作为玻璃微珠防粘剂，玻璃和金属成型脱模剂。三超硬材料，可制成高速切割工具和地质勘探、石油钻探钻头。四原子反映堆构造材料，航天航空中热屏蔽材料。五无毒无害又具备润滑性，可用作化妆品填料。六做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀铝、显示屏镀铝等蒸发舟。七晶体管热封干燥剂和塑料树脂等聚合物添加剂。八激光防伪镀铝、商标烫金材料，各种烟标，啤酒标、包装盒，香烟包装盒镀铝等等[4~5]。图表SEQ图表\*ARABIC1BN应用2.1BN三种合成方案为了更好地发展材料事业，服务国家建设，需要找到适当合成办法，才干让这种优良材料发挥作用，书中简介给咱们了三种不同办法，分别是：①用单质硼B和氮气N2反映：B(s)+1/2N2(g)=BN(s)②用氯化硼BCl3和氨气NH3反映：BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)③用三氧化二硼B2O3和氨气NH3反映：B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)当前，我从如下几种方面来讨论一下三种办法利弊，以及工业中最适当办法[6]。反映方向一方面，先从理论上化学反映进行方向及反映条件讨论。对于反映①B(s)+1/2N2(g)=BN(s)ΔrHmΘ-254.39kj·mol-1ΔrSmΘ-86.8j·mol-1·k-1ΔrGmΘ=0时T=2930.76K≈2657.61℃图表SEQ图表\*ARABIC2经计算，此反映在2600℃如下都可自发进行。表面上看，反映容易自发进行，但此反映并不易于操作，实验成果表白，将硼粉置于氮气中反映1~2小时，恒温为1000℃时生成BN并不多。事实上，硼与氮反映较快温度区间在1050~1350℃，而要反映较为完全，得高品质氮化硼，需要1550℃以上。[7]那么对于反映②BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)ΔrHmΘ-47.23kj·mol-1ΔrSmΘ173.91j·mol-1·k-1ΔrGmΘ恒不大于0图表SEQ图表\*ARABIC3即该反映在任何温度下自发。但是事实上，反映要在1000K≈726℃以上（普通在900~1000℃）进行。由于氯化硼是气态，反映是气相进行，为了提高反映产率，要使氨气过量。若将该反映温度提高至1600~1900℃，可以得到高纯度氮化硼。这个办法可以用来生产氮化硼，但是氯化硼不便存运，并且气相反映不如反映③易操作。最后讨论反映③B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)ΔrHmΘ199.9kj·mol-1ΔrSmΘ319.2j·mol-1·k-1ΔrGmΘ=0时T=626.25K≈353.1℃图表SEQ图表\*ARABIC4此反映被称为硼酐法，在不不大于353℃时可自发进行，这个反映所需最低温度并不很高，但是同上面两个反映，要达到一定速率和纯度，需要在800~1000℃下进行，由于B2O3熔点较低，会变成高粘度流体，阻碍氨气与其表面反映，故实际中要加入高熔点物质如Ca3(PO4)2作填料。得到产物可以在氨氛围围与1400℃以及更高温度下继续纯化，可以得到纯度96%以上氮化硼。此办法相比①②，更易于操作，技术规定也更低。通过上述分析，如果单从化学反映角度，反映③最容易进行，但是产物纯度不高。反映②操作比较复杂，但是纯度要比反映③要高。2.3原料价格接下来要讨论是原材料价格，在经济方面对这三种办法进行比较讨论。名称化学式价格(元)/Kg备注由于应用领域不同，试剂纯度不同，因此某些价格差距较大，例如纯度99.99%试剂都非常昂贵，纯度90%非常便宜硼B数百~3000粉末型或块状氯化硼BCl3100~1000高压瓶装液态氨气NH310元以内高压瓶装液态三氧化二硼B2O320~40玻璃状晶体或粉末纯氮气N210元以内高压瓶装液态图表SEQ图表\*ARABIC5虽然数据波动较大，但是从上表也能看出，高纯度单质硼价格十分昂贵，氯化硼相对便宜，而三氧化二硼十分便宜这与它们制法关于，三氧化二硼是由矿物转化得来，而硼需要由三氧化二硼或者氯化硼制得，因此反映③成本也十分低廉，而反映①成本就很高，不适合工业化生产。除了原材料价格，运送和储藏成本也应当考虑，硼和三氧化二硼相对易于储运，而氯化硼在这方面成本就要高不少。因此综合来看，还是反映③最为适当，可以获得最大效益。2.4环保问题最后一点，也是非常重要一点，就是环保问题。环保问题是社会和工厂十分关注问题，因而选取低能耗，污染少办法，不但有社会效益，有助于可持续发展，更是会带来很大经济效益。在氮化硼合成中，反映①虽然反映物运用率高，但是其能耗非常高，维持高温所消耗能源，也许会比解决工业三废更需要资金，而提供能源所需用煤、天然气等，也会导致温室效应。反映②③能耗相对较低，但都随着有副产物，特别是反映②，反映物氯化硼既是有毒气体，而副产物氯化氢也是有毒气体，如果解决不当，所产生污染是比较严重，但是在实际生产中，会由于氨气过量，产物是氯化铵。反映③副产物是水，看似是完全没有污染，但是实际操作还是要用酸冲洗，但是也可以用氨气与其化合成氯化铵以减少污染，此反映环保问题在三者中也是最小。若考虑对环境污染最小，选取第三个办法还是比较适当。结论综合上文讨论成果，反映①技术难度大，原料昂贵，在工业生产中不适合采用。反映②额优势就在于产物纯度比较高，但是技术难度较大，成本也要高于③。因此对于高纯度有规定生产，选取这个办法比较适当。反映③成本低，技术规定低，反映易发生，并且对环境污染限度也相对较小，适合工厂大量生产，能获取较大利益。因此，在不同状况下，对于各种合成制备办法选取，将会至关重要，并对咱们实现目产生影响，进一步理解氮化硼合成方案，让化学材料可以更好地造福于人类。参照文献葛雷，杨建，丘泰六方氮化硼制备办法研究进展,电子元件与材料，,27（6）：22-23郭胜光