氮化硼纳米材料的合成与物理性质研究

BN纳米材料具有良好的稳定性和独特的电学、热学和光学等性质。与碳纳米管相比，BN纳米材料具有更好的的温度和化学稳定性，具有高于石墨的摩擦系数，其电子结构不随结构特征变化，并且对可见光和近紫外光是透明的。这些性质决定了BN纳米材料在纳米电子学、纳米复合材料和润滑材料等领域有着更广阔的应用前景。本申请项目将通过寻找廉价的B源、选择合适的催化剂和降低合成温度，获得低成本、大尺度BN纳米材料的合成工艺；研究掺杂BN纳米材料的电输运性质及其机理，实现对BN纳米材料电输运性质的调控；研究不同BN纳米结构具有的热传导性能和介电性能；建立BN纳米结构与物理性质之间的关联。并合成纳米BN/有机聚合物复合材料，开展这类材料在电子器件封装材料领域的研究。本申请项目不仅具有重要的学术价值，而且具有良好的应用前景。本项目的研究有望获得BN纳米材料的初步工业化合成工艺，获得实用化的产品，推动我国新材料产业的发展。

本项目课题组严格按照申请书和计划书的研究计划，完成了研究内容，达到了预期目标。本项目取得的主要研究成果如下：(1) 发展和完善了多种BN纳米结构的合成方法，阐明了合成过程中的基本物理和化学机制。本课题成功实现的球形BN纳米颗粒的中试生产，产量达到5 kg/d；以Li2O为催化剂，B为原料，通过CVD方法合成了管径小于10 nm的BNNT；合成了壁厚在纳米尺度的BN和BCN微米管；合成了具有极高比表面积和氢储存性能的多孔BN纤维。(2) 制备了多种含BN的复合纳米结构，详细讨论了复合结构的微观形貌特征和性能。制备了TiO2/BNNT复合结构，利用BNNT的静电特性，提高了其光催化性能；制备了BN包覆的Al18B4O33纳米晶须，研究了这类复合结构对Mg合金的增强作用。(3) 深入研究了制备了不同结构形式的BN纳米材料的物理与化学性质。成功制作了F均匀掺杂BNNT的场效应管，阐明了F掺杂BNNT的电输运机制为p型，解决了关于此问题的研究争论；研究了管径小于10 nm的BNNT和薄壁BCN微米管的CL、热传导、场发射等特性，其中BCN微米管的电导率得到了极大地提高；研究了制备的多孔BN纤维的比表面积和氢存储性能的关系，在合适的合成条件下，该BN纤维的比表面积可以达到1687 m2/g，这种大比表面积的BN纤维是首次合成的，并且该纤维在室温、3MPa下的氢吸附量为5.6 wt%，回到常温常压下时氢脱附值为4.7 wt.%，已经达到了实际使用要求；以制备的球形BN纳米颗粒为原料，通过高温高压方法合金了纳米孪晶结构的立方BN，该材料具有超过金刚石的硬度、优良的断裂韧性和抗高温氧化能力。(4) 采用第一性原理计算，研究了BN及BN相关纳米结构的几何结构、电子结构和磁学性质。通过粒子群搜索算法，预测了多种新型B二维结构，研究了其金属学的电子性质。通过第一性原理计算，研究了吸附B的BNNT的化学键合的变化，阐明了其磁性的起源。. 该项目培养了博士4名，硕士6名。项目的研究成果发表SCI论文22篇，申请了发明专利2项，并获得河北省自然科学奖一等奖1项，并得到了1项973前期研究、1项国家自然科学基金和2项河北省重点课题的后续资助。