新型四方BC2N超硬化合物纳米晶和大颗粒单晶的温和条件合成和性能研究

研究表明BC2N因硬度接近金刚石且高温耐氧化，将成为金刚石潜在的替代品。但BC2N的合成仍然是困难的，除了传统的高温高压技术外，低温低压、低成本合成BC2N更是一个挑战性课题。最近我们理论设计出的一种新型四方结构BC2N理论硬度大于已知的其他BC2N化合物, 接近金刚石。我们初步尝试了对它的合成，获得了单晶纳米棒，但产率偏低。本工作将在此基础上对新型四方BC2N进行详细的理论和合成实验研究。为了控制成本，本工作立足于温和条件下的化学制备。探索合成晶体的反应物、反应类型和反应条件，研究其反应特点和反应动力学过程，晶化温度对晶体成核速率及生长速率的影响, 揭示晶体合成时所呈现的新规律。通过溶剂、络合剂或模板的选择，控制所生长的四方BC2N的尺寸和形貌，实现其纳米晶和一维纳米材料的生长。制备足够大尺寸单晶体，测试其硬度等特性。从理论上揭示纳米增硬机理,进一步设计硬度大于金刚石的纳米BC2N。

利用第一性原理技术，研究了一种新型高压相氮化硼—简心四方氮化硼（pct-BN）的结构、晶格振动及力学性能。在压力增至8.8 GPa以上时，pct-BN相对于h-BN是热力学稳定相。声子谱计算结果表明pct-BN在常压下乃至压力升至最高120 GPa压力下仍然是稳定的。pct-BN具有共价键近四面体结构的电子成键特征。pct-BN结构失稳的主要模式是剪切型的。pct-BN的硬度接近于c-BN。. 利用晶体结构预测技术，设计和研究了一种新型简四方硼碳氮(tP16-BC2N)。这一结构比目前存在的β-BC2N能量更低，弹性常数及声子色散表明其为结构稳定相；理想强度计算结果表明，其最低拉伸及剪切应力峰值均明显大于β-BC2N。. 预测了一种赝四方I-B8C16(N6CO) 相。研究了I-BC2+ xN1-2xOx的结构稳定性、理想拉伸强度和理论硬度。声子色散曲线表明该结构在通常条件下是动力学稳定的。计算结果显示该超硬相的硬度高达74.4 GPa，明显高于c-BN的硬度，表明BC2+xN1-2xOx (0 ≤ x ≤ 0.5) 化合物是一类具有优良力学性能的超硬化合物。. 提出了硬度各向异性的化学键理论, 研究了纳米增硬机理。. 我们采用溶剂热法以BBr3作为硼源，CH3CN作为碳、氮源以及溶剂，Ni作为催化剂，在500 ℃时进行反应。产物有BCN单晶、碳富勒球和纳米棒。. 采用溶剂热合成方法, 以无水乙腈、叠氮化钠和四氟硼酸钠为原料, 以苯为溶剂, 在温度为400 ℃条件下, 成功合成出了硼碳氮(BCN)三元化合物. XRD和SAED分析表明, 合成产物为六方相, 晶格常数为a＝0.2678 nm, c＝0.6639 nm; TEM结果表明, 合成产物中存在纳米棒和四方柱状块体BCN。. 发表SCI收录论文17篇，获国家自然科学二等奖1项。