毫米级立方氮化硼大单晶的合成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于立方氮化硼合成技术领域，尤其涉及一种毫米级立方氮化硼大单晶的合成方法。
【背景技术】
[0002]立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，具有很高的热稳定性、极强的化学稳定性。工业合成立方氮化硼的方法通常是六方氮化硼为原料、碱金属或碱土金属L1、Mg、Ca等及其氮化物和硼氮化物为触媒材料在高温高压条件下合成的，其合成是一种特殊的晶体生长过程，立方氮化硼晶体长粗较为困难，在达到一定生长时间(通常在30min以内)后再延长合成时间，对立方氮化硼晶体长大没有效果。而粗粒度立方氮化硼是一种具有发展前景的新材料，除了用于磨具刀具材料外，其优越的功能特性可使其作为宽带隙半导体材料、热沉材料、高温半导体器件乃至特殊光学器件。发明专利CN100542949C《粗粒度立方氮化硼的合成方法》披露了一种合成30?60目的合成方法。目前30目以细的单晶立方氮化硼目前的合成工艺较为成熟，而更粗至18目完整晶型的立方氮化硼单晶较难合成。国外大多采用晶种法合成大颗粒立方氮化硼，工艺复杂，组装成本高，生长缓慢，合成质量差，不能够大规模推广应用。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种生长迅速、粒度达到毫米级、晶型较完整的立方氮化硼单晶的合成方法。
[0004]本发明以三元氮硼化物Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca 3B2N4和二元氮化物Li 3N以及单质金属Mg或Al的混合物为触媒，精制高纯度HBN为原料，两者以粉末状均匀混合，按照本发明较低暂停压力和合成压力、保持时间并在保压阶段继续均匀升压的合成工艺合成出粒度达到毫米级的立方氮化硼单晶。
[0005]实现本发明所采取的技术方案是:一种毫米级立方氮化硼大单晶的合成方法，包括如下步骤:
第一步，将三元触媒Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca 3B2N4粉末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Mg或Al粉末的混合物做为复合触媒，并与含量为BN ^ 99.5%,B2O3^ 0.2%的高纯度HBN原料，按三元触媒=Li3N -Mg或Al:HBN=8?15:5?10:1?4:100的质量比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱；
第二步，将上述步骤中压制的圆柱体装入石墨加热管中组装成合成棒，再装入叶腊石组装块中做成合成块；
第三步，将合成块装入六面顶压机的高压腔中，加压至35MPa开始加热，到40?50MPa，温度加热至1300?1600°C，保持5?lOmin，控制立方氮化硼晶体成核，继续升压到合成压力80MPa，保压50?120min，在此保压过程中由PLC控制压力均匀缓升至100?105MPa，保压结束后停止加热，等待3min后卸压； 第四步，将得到的高温高压合成物取出，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体；
第五步，将得到的立方氮化硼晶体用筛机筛分，即可得到各个粒度的立方氮化硼成品。
[0006]三元氮硼化物Li3BN2、Mg3B2N4、Ca3B2N4和二元氮化物Li 3N以及单质金属Mg或Al均可做为立方氮化硼合成的触媒，其中三元氮硼化物Li3BN2、Mg3B2N4, 0&##4是反应体系中的熔剂，加入二元氮化物Li3N以及单质金属Mg或Al可以增加体系的反应活性，促进立方氮化硼晶体生长。在高温高压合成中，采用较低的加温压力、较低的暂停保持压力和较长的保持时间来控制晶体成核，到达合成压力后继续加压保证持续生长的动力，保证晶体连续生长。
[0007]按照本发明方法合成出的立方氮化硼，晶体粒度达到了 18目，其中16?30目所占比例达到50?70%，晶型较完整，工艺稳定具有生产价值。
【具体实施方式】
[0008]本发明的毫米级立方氮化硼大单晶合成方法采用三元氮硼化物Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca3B2N4和二元氮化物Li3N以及单质金属Mg或Al的混合物为触媒，精制含量BN彡99.5%、B2O3S 0.2%的高纯度HBN为原料，两者以粉末状均匀混合，按照本发明的工艺合成出粒度达到毫米级的立方氮化硼单晶。
[0009]实施例1:
将三元触媒1^忑队粉末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Mg粉末和精制HBN为原料，按质量比=Li3BN2 = Li 3N:Mg:HBN=1:8:2:100的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱，装入石墨加热管中制成合成棒，装入六面顶压机合成腔体中，加压到35MPa，开始加热，到42MPa，温度达到1650°C保持8min，继续升压至80MPa，温度达到1650°C保持60min，期间压力由PLC控制均匀缓升lOOMPa，保压结束后停止加热，等待3min卸压。取出合成物，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体，用筛机筛分得到各个粒度的立方氮化硼晶体，晶体呈琥珀色、透明，其中16?20目所占比例可达24%，20?30目所占比例达32%，晶形较完整。
[0010]实施例2:
将三元触媒1^忑队粉末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Al粉末和精制HBN为原料，按质量比=Li3BN2 = Li 3N:A1:HBN=1:8:2:100的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱，装入石墨加热管中制成合成棒，装入六面顶压机合成腔体中，加压到35MPa，开始加热，到42MPa，温度达到1600°C保持8min，继续升压至80MPa，温度达到1650°C保持80min，期间压力由PLC控制均匀缓升lOOMPa，保压结束后停止加热，等待3min卸压。取出合成物，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体，用筛机筛分得到各个粒度的立方氮化硼晶体，晶体呈琥珀色、透明，其中16?20目所占比例可达27%，20?30目所占比例达33%，晶形较完整。
[0011]实施例3:
将三元触媒Mg3B2N4?末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Mg粉末和精制HBN为原料，按质量比=Mg3B2N4=Li 3N:Mg:HBN= 12:8:2:100的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱，装入石墨加热管中制成合成棒，装入六面顶压机合成腔体中，加压到35MPa，开始加热，到42MPa，温度达到1550°C保持8min，继续升压至80MPa，温度达到1600°C保持90min，期间压力由PLC控制均匀缓升103MPa，保压结束后停止加热，等待3min卸压。取出合成物，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体，用筛机筛分得到各个粒度的立方氮化硼晶体，晶体呈黄色、半透明，其中16?20目所占比例可达29%，20?30目所占比例达35%，晶形较完整。
[0012]实施例4:
将三元触媒Mg3B2N4?末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Al粉末和精制HBN为原料，按质量比=Mg3B2N4=Li 3N:A1:HBN= 12:8:2:100的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱，装入石墨加热管中制成合成棒，装入六面顶压机合成腔体中，加压到35MPa，开始加热，到42MPa，温度达到1550°C保持8min，继续升压至80MPa，温度达到1600°C保持90min，期间压力由PLC控制均匀缓升103MPa，保压结束后停止加热，等待3min卸压。取出合成物，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体，用筛机筛分得到各个粒度的立方氮化硼晶体，晶体呈黄色、半透明，其中16?20目所占比例可达30%，20?30目所占比例达33%，晶形较完整。
[0013]实施例5:
将三元触媒Ca3B2N4?末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Mg粉末和精制HBN为原料，按质量比:Ca3B2N4:Li 3N:A1:HBN= 13:8:2:100的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱，装入石墨加热管中制成合成棒，装入六面顶压机合成腔体中，加压到35MPa，开始加热，到42MPa，温度达到1500°C保持8min，继续升压至80MPa，温度达到1550°C保持IlOminJj^间压力由PLC控制均匀缓升105MPa，保压结束后停止加热，等待3min卸压。取出合成物，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体，用筛机筛分得到各个粒度的立方氮化硼晶体，晶体呈黄色、透明，其中16?20目所占比例可达31%，20?30目所占比例达34%，晶形较完整。
[0014]实施例6:
将三元触媒Ca3B2N4?末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Al粉末和精制HBN为原料，按质量比:Ca3B2N4:Li 3N:A1:HBN= 13:8:2:100的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱，装入石墨加热管中制成合成棒，装入六面顶压机合成腔体中，加压到35MPa，开始加热，到42MPa，温度达到1500°C保持8min，继续升压至80MPa，温度达到1550°C保持IlOminJj^间压力由PLC控制均匀缓升105MPa，保压结束后停止加热，等待3min卸压。取出合成物，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体，用筛机筛分得到各个粒度的立方氮化硼晶体，晶体呈黄色、透明，其中16?20目所占比例可达33%，20?30目所占比例达32%，晶形较完整。
【主权项】
1.一种毫米级立方氮化硼大单晶的合成方法，其特征在于:包括如下步骤: 第一步，将三元触媒Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca 3B2N4粉末和二元触媒Li 3N粉末以及单质金属Mg或Al粉末的混合物做为复合触媒，并与含量为BN ^ 99.5%,B2O3^ 0.2%的高纯度HBN原料，按三元触媒=Li3N -Mg或Al:HBN=8?15:5?10:1?4:100的质量比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱； 第二步，将上述步骤中压制的圆柱体装入石墨加热管中组装成合成棒，再装入叶腊石组装块中做成合成块； 第三步，将合成块装入六面顶压机的高压腔中，加压至35MPa开始加热，到40?50MPa，温度加热至1300?1600°C，保持5?lOmin，控制立方氮化硼晶体成核，继续升压到合成压力80MPa，保压50?120min，在此保压过程中由PLC控制压力均匀缓升至100?105MPa，保压结束后停止加热，等待3min后卸压； 第四步，将得到的高温高压合成物取出，经过破碎、注水浸泡、常规酸碱处理得到立方氮化硼晶体； 第五步，将得到的立方氮化硼晶体用筛机筛分，即可得到各个粒度的立方氮化硼成品。
【专利摘要】本发明属于立方氮化硼合成技术领域，尤其涉及一种毫米级立方氮化硼大单晶的合成方法。其主要特点是：选择含量为BN≥99.5%、B2O3≤0.2%的高纯度HBN原料，并与三元触媒Li3BN2或Mg3B2N4或Ca3B2N4粉末和二元触媒Li3N粉末以及单质金属Mg或Al粉末的混合，并按照所述的工艺方法合成出毫米级立方氮化硼大单晶。按照本发明方法合成出的立方氮化硼，晶体粒度达到了18目，其中16～30目所占比例达到50～70%，晶型较完整，工艺稳定具有生产价值。
【IPC分类】C30B1/12, C30B29/40, B01J3/06
【公开号】CN105080429
【申请号】CN201510495464
【发明人】张相法, 贾攀, 张奎, 位星, 刘红伟
【申请人】郑州中南杰特超硬材料有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月13日