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氮化硼纳米片是如何被“剥”出来的?
2019年08月16日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:383
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由于石墨烯的崛起,层状二维(2D)纳米材料的优异性能逐渐受到重视。二维纳米材料层数的减少能够赋予它更独特的结构和性能,比如说氮化硼,单层的h-BN能拥有近6倍于h-BN粉末的导热系数。由于“导热”本身就是氮化硼最擅长的特技之一,因此为了进一步拓展它的应用范围,如何大量、快速地制备超薄氮化硼纳米片成为了材料界的热点话题。

 

氮化硼纳米片

目前制备二维材料纳米片的方法大致可分为两类:“自下而上”法“自上而下”法。前者包括化学气相沉积法和外延生长法等,它们都可以制备高质量的二维纳米材料,但同时对二维材料的生长环境要求极高(高温高压)并且所得到的纳米片尺寸受基板尺寸限制,另外从基板上进行转移时也会对纳米片的质量和性能带来严重损失。因此“自上而下”法,也就是剥离法,也成为了氮化硼纳米片的主力合成方法之一。

一、“剥”是怎样的一个过程?

“自上而下”法包括微机械剥离法和液相剥离法等。具体如下:

1.机械剥离法

机械剥离法是最早成功制备单层二维材料的方法,同时它也是最早的用于石墨烯剥离的方法。Pacile等人首先制备出单层的BN纳米片,他们把层状的氮化硼粘在SiO2衬底上,然后逐渐剥离至几个原子层厚度的碎片。该方法不如剥离石墨烯效果好,因为硼氮键有离子键特性,使得天然氮化硼层间的范德华力要比石墨大些。

 

球磨法剥离六方氮化硼

传统球磨法在制备氮化硼纳米片领域很有前景,Li等人报道了一种温和的湿球磨法,这种方法制备的纳米片结晶度好,厚度仅有几个原子层,尺寸略有减小。此外他们还发现用苯甲酸苄酯作为润滑剂要比水、乙醇和十二烷效果好。

2.液相剥离法

作为“自上而下”法中的重要分支,液相剥离法近年来得到了深入的研究,它是指以液体为媒介,将二维材料原料直接剥离成二维材料纳米片的一类方法。该方法的剥离过程不需要进行化学性的氧化还原反应等过程。

目前液相剥离主要具有以下几种方式,具体如下:

A离子夹层:在液相环境中,离子进入块状材料层间,降低层间范德华力作用,然后再加以超声、加热或剪切力等作用,使其分层剥离开来。

B离子交换:有些层状化合物层间含有例子用以平衡表面电荷层,在溶液环境中,这些例子可被其他离子替换,然后分层剥离。

C超声辅助剥离:层状晶体在溶剂中超声,结果被玻璃产生纳米片层的结构。具备适当表面能的良溶剂能够使剥落的纳米片抵抗聚集稳定存在,不良溶剂则相反。

 

液相剥离层状材料示意图

Zhi等人先把商业购入的h-BN粉末放入二甲基甲酰胺中,经过10h超声分散后,再通过离心方法去除大体积氮化硼后,留下的氮化硼纳米片直径约几个微米,厚度仅有三个原子层。与机械剥离法相比,液相剥离法更具备大规模制备的可能性。

二、被“剥离”的氮化硼纳米片有何优势?

氮化硼纳米片最大的优势在于它在沿面内方向具有更大的导热率,还具有超高的径厚比和电绝缘性,而目前关于它的应用研究中,主要集中于填充改性高分子材料上。

 

氮化硼纳米片复合材料导热机理

由于氮化硼纳米片可在低填充率下提高聚合物基复合材料的导热率,并且可以改善复合材料的热性能、力学性能及磁性能等,因此它对于导热聚合物基复合材料的发展来说,必将具有重要意义。

资料来源:

六方氮化硼纳米片的剥离及其复合材料性能研究,陈浩。

多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域中的应用,谢飞。

液相剥离法六方氮化硼纳米片的制备及在复合材料中应用的研究现状,武向南,翟乐,王农跃,瞿雄伟。

粉体圈 小榆整理


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