一种氢化铍材料的制备方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种氢化铍材料的制备方法及装置。所述的装置是通过对低压氢等离子体约束后形成的活性氢原子射流，诱导二叔丁基铍气体分子气相裂解生成气态氢化铍分子，然后氢化铍分子碰撞聚合成氢化铍薄膜或粉末。由于活性氢原子能将二叔丁基铍分子中的Be-C键断裂，而对C-C键没有明显影响，且氢原子相对于铍原子显著过量，采用该制备方法及装置可以获得纯度较高的氢化铍材料。
【专利说明】一种氢化铍材料的制备方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氢化铍材料的制备方法及装置，更具体地说，本发明涉及一种采用活性氢原子诱导二叔丁基铍气相裂解制备氢化铍材料的方法及实现该方法的装置。
【背景技术】
[0002]氢化铍是一种高效固体储氢材料,储氢质量百分比为18.28%,高于常用固体储氢材料氢化锂(LiH，12.68 % )、氢化镁(MgH2, 7.66%)和氢化铝(AlH3,10.08%),稍微加热就会释放出氢气。同时，氢化铍的体积储氢密度为7.12X 1022atom/cm3，接近温度为IlK的固体氢的2倍(4.22X 1022atom/cm3)。此外，氢化铍还是一种制备泡沫铍、纳米铍和非晶铍等材料的必需原料。
[0003]一些文献报道采用二叔丁基铍的直接热解(J.Chem.Soc., 2526 (1954))、溶液热解(copending application Ser.N0.176865, filed Feb 26, 1962)和真空气相热解(US Patent 3743710, July 3，1973)等方法制备氢化铍材料(粉末或薄膜)。由于二叔丁基铍的热不稳定性，其热解温度范围区间较窄(200 ± 5 °C )，很难制备出纯度较高的氢化铍材料(粉末或薄膜)，或在制备工艺上实施难度较大。当热解温度低于185°C时，二叔丁基铍易发生分子间歧化反应，不完全分解成烷基铍；热解温度高于210°C时，易过热分解成金属铍(Be )，且热解法适合制备氢化铍粉末，难以制备氢化铍薄膜。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种氢化铍材料的制备方法。
[0005]本发明另一个要解决的技术问题是提供一种氢化铍材料的制备装置，该装置产生氢等离子体，约束并获得活性氢原子射流，诱导二叔丁基铍气相裂解制备氢化铍材料。
本发明的氢化铍材料的制备方法，依次包括以下步骤:
(a)低压氢气在射频电感耦合放电条件下产生氢等离子体；
(b)对氢等离子体进行约束，获得活性氢原子射流；
(c)将活性氢原子和二叔丁基铍蒸汽导入混合反应腔碰撞反应，活性氢原子诱导二叔丁基铍分子气相裂解并生成气态氢化铍分子；
(d)气态氢化铍分子碰撞聚合成固态氢化铍材料。
[0006]步骤(a)中所述低压氢气的气压为f 100pa。
[0007]步骤(b)中所述对氢等离子体进行约束是将放电石英管的下端用一个中心开有小孔的金属板密封，高能量电子和离子被限制在石英管内，活性氢原子通过该小孔注入反应腔诱导二叔丁基铍气相裂解。
[0008]步骤(c)中所述导入二叔丁基铍蒸汽的载气为高纯氢气，其纯度≥99.995%。
[0009]步骤(c)中所述活性氢原子和二叔丁基铍蒸汽碰撞反应的气压为5.0X 10_2 Pa~IOOPa0
[0010]步骤(d)中所述氢化铍材料为氢化铍薄膜或氢化铍粉末。[0011]本发明的一种氢化铍材料的制备装置，其特点是:所述的装置中的氢气瓶(I)经水过滤器(2)后分为两路，一路用作载气，一路用作放电氢气，通过不锈钢管(18)分别与钢瓶⑵进气口、石英管(17)连接，钢瓶(7)出气口与混合反应腔(14)连接，真空室(15)与石英管(17)通过小孔连通，真空室(15)通过一个法兰口与真空泵(12)、过滤桶(11)连接，所述放电石英管(17)通过小孔与混合反应腔(14)连通，活性氢原子通过该小孔导入混合反应腔(14)诱导二叔丁基铍气相裂解。
[0012]所述小孔的直径为2.5mm,长度为4mm。
[0013]本发明的氢化铍材料的制备装置工作过程是:高纯氢气经水过滤器除水后分为两路。一路氢气经质量流量控制器控制流量后进入放电石英管。在射频放电电感线圈中接入射频电压后，氢气在放电石英管中辉光放电形成低压氢等离子体。经一个小孔(Φ2.5X4mm)约束后，产生活性氢原子射流束注入混合反应腔。另一路氢气作为载气，经质量流量控制器控制流量后通入钢瓶中，采用鼓泡的方式携带二叔丁基铍蒸气进入混合反应腔，与活性氢原子碰撞并裂解生成氢化铍分子，最后在基片上沉积成氢化铍薄膜或在气相中凝聚成氢化铍粉末。
[0014]本发明提供的氢化铍材料制备方法相对以前的制备方法有很多明显的优点，活性氢原子能将二叔丁基铍中Be-C键断裂，诱导二叔丁基铍裂解成氢化铍，而对C-C键没有明显的影响。解决了热解法不完全分解成烷基铍与过分解成金属铍的问题，因此能得到纯度更高的氢化铍材料。该方法简易方便，既可以制备氢化铍粉末，也可以沉积氢化铍薄膜。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的氢化铍材料制备装置的结构示意图；
图中:1.氢气瓶 2.水过滤器 3.第一高真空阀4.第一质量流量控制器
5.第二高真空阀 6.水浴 恒温器 7.钢瓶 8.第三高真空阀9.第四
高真空阀 10.第五高真空阀 11.尾气过滤桶12.真空泵 13.样品台
14.混合反应腔 15.真空反应室 16.电感线圈17.石英管 18.不锈钢管 19.第二质量流量控制器 20.第六高真空阀。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明的制备方法及装置作进一步的说明。
[0017]图1为本发明的氢化铍材料的制备装置的结构示意图。
[0018]本发明的氢化铍材料的制备装置包括氢气瓶1，水过滤器2，不锈钢管18和第一至第六高真空阀3，5，8，9，10，20，第一、第二气体流量控制器4，19，装有二叔丁基铍的钢瓶7，控制反应温度的水浴恒温器6，混合反应腔14，用于产生氢等离子体的电感线圈16和石英管17，真空室15，真空泵12，样品台13，吸收尾气中残留二叔丁基铍的过滤桶11，所述氢气瓶I经水过滤器2后分为两路，一路用作载气，一路用作放电氢气，通过不锈钢管18分别与钢瓶7进气口、石英管17连接，钢瓶7出气口与混合反应腔14连接，真空室15和石英管17通过小孔连通，真空室15通过一个法兰口与真空泵12、过滤桶11连接。所述钢瓶7置于水浴恒温器6中，通过水浴恒温器6控制二叔丁基铍的温度和饱和蒸汽压，再结合载气流量联合控制二叔丁基铍蒸汽的输送速率。[0019]本发明的氢化铍材料的制备过程:
(a)抽真空到4.0X 10_4Pa，低压氢气在射频电感耦合放电条件下产生氢等离子体，放电气压为I~lOOPa，射频源频率为43.68MHz，射频源放电功率为50~200W ；
(b)约束氢等离子体，将高能量电子和离子限制在石英管内，获得活性氢原子射流；
(c)将活性氢原子和二叔丁基铍蒸汽导入混合反应腔碰撞反应，活性氢原子诱导二叔丁基铍分子气相裂解并生成气态氢化铍分子。输送二叔丁基铍蒸汽的氢气流量为I~lOsccm，其纯度≥99.995%，有机源温度为20~35°C，反应气压为5.0Χ10-2~1OOPa ；
(d)气态氢化铍分子碰撞聚合成固态氢化铍材料。反应气压较低时，在基片上得到氢化铍薄膜；反应气压较高时，气相中形成氢化铍粉末，在真空室抽气口加装多层金属丝细网收集氢化铍粉末。
[0020]实施例1
下面先以制备氢化铍薄膜为例，对本发明的【具体实施方式】进行描述。实验操作步骤主要包括以下五个步骤:
第一步:抽真空
在样品台上固定放置硅基片，将真空反应室15连带配气管路预抽真空到4.0X 10_4Pa。
[0021]第二步:冲洗管路
打开第一质量流量控制器4、第二质量流量控制器19并设定为10毫升/分钟(sccm)，然后打开第一高真空阀3、第六高真空阀20、第五高真空阀10和第四高真空阀9，关闭第二高真空阀5、第三高真空阀8冲洗管路lhr。二叔丁基铍极容易与氧气、水反应生成白色的高毒性的氧化铍固体粉尘，因此在输送二叔丁基铍前需要冲洗管路，除去水和氧气。
[0022]第三步:射频放电
调节真空室15的闸板阀使放电石英管17中的氢气气压为30Pa，真空反应室15中的氢气气压为7.5X10_2Pa。开启射频电源，调节入射功率为180W，在放电石英管17中形成氢等离子体。实验中采用的是三倍频(43.68MHz)晶体管射频电源，经匹配器调节后将功率加载到螺旋线圈，在石英管中激发射频电场形成氢等离子体。
[0023]第四步:沉积实验
将水浴恒温器6的温度设定为25°C，待温度稳定后关闭第四高真空阀9，打开第二高真空阀5和第三高真空阀8，采用氢气作为载气，经水过滤器干燥后，通入钢瓶鼓泡，携带二叔丁基铍蒸气到混合反应腔14，与活性氢原子反应后生成气态氢化铍分子，沉积聚合成氢化铍薄膜。
[0024]第五步:冲洗管路
沉积6hr后，关闭第二高真空阀5和第三高真空阀8，打开第四高真空阀9，冲洗管路Ihr后，关闭射频电源，实验步骤结束。
[0025]由于铍和含铍化合物具有高度性，实验全步骤必须有严格的防护措施。该制备步骤有三层防护系统:第一层防护系统是专门的铍防护实验室，实验室密封，配备抽风排气系统，使实验室始终保持在负压状态，气流从实验室外流向实验室内，防止含铍粉尘物质随气流排出到实验室外。抽风排气系统气流经过滤塔过滤达到国家排放标准后，排入大气；第二层防护系统是设备防护，实验设备置于防护罩内，气流从操作人员流向设备并从抽风系统排出，防止含铍粉尘物质从设备逸出；第三层防护系统是个人防护，包括防护服和呼吸保护器。此外，二叔丁基铍蒸汽易扩散，具有高毒性，与氧气、水蒸汽接触会发生剧烈反应，因此该制备装置的配气系统严格密封，防止二叔丁基铍泄露。尾气中残留的二叔丁基铍通过过滤桶11除去。
[0026]实施例2
移开样品台13，并在真空反应室15的抽气口(即真空泵12的入口处)增设一个多层超细金属丝过滤网，调节真空反应室的反应气压到70Pa，其它实验条件与实施例1相同。实验结束后可在金属丝过滤网处收集到白色的氢化铍粉末。实验表明:当反应气压较低时，趋向于在基片上形成氢化铍薄膜；当反应气压较高时，趋向于在气相中形成细微的氢化铍粉末。
【权利要求】
1.一种氢化铍材料的制备方法，其特征在于:所述的方法依次包括以下步骤: (a)低压氢气在射频电感耦合放电条件下产生氢等离子体； (b)对氢等离子体进行约束，获得活性氢原子射流； (c)将活性氢原子和二叔丁基铍蒸汽导入混合反应腔碰撞反应，活性氢原子诱导二叔丁基铍分子气相裂解并生成气态氢化铍分子； (d)气态氢化铍分子碰撞聚合成固态氢化铍材料。
2.根据权利要求1所述氢化铍材料的制备方法，其特征在于:步骤(a)中所述低压氢气的气压为1-l00pa。
3.根据权利要求1所述氢化铍材料的制备方法，其特征在于:步骤(b)中所述对氢等离子体进行约束是将放电石英管的下端用一个中心开有小孔的金属板密封，高能量电子和离子被限制在石英管内，活性氢原子通过该小孔注入反应腔诱导二叔丁基铍气相裂解。
4.根据权利要求1所述氢化铍材料的制备方法，其特征在于:步骤(c)中所述导入二叔丁基铍蒸汽的载气为高纯氢气，其纯度> 99.995%。
5.根据权利要求1所述氢化铍材料的制备方法，其特征在于:步骤(c)中所述活性氢原子和二叔丁基铍蒸汽碰撞反应的气压为5.0X 10_2 Pa~lOOPa。
6.根据权利要求1所述制备氢化铍材料的制备方法，其特征在于:步骤(d)中所述氢化铍材料为氢化铍薄膜或氢化铍粉末。
7.一种氢化铍材料的制备装置，其特征在于:所述的装置中的氢气瓶(I)经水过滤器(2)后分为两路，一路用作载气，一路用作放电氢气，通过不锈钢管(18)分别与钢瓶(7)进气口、石英管(17)连接；钢瓶(7)出气口与混合反应腔(14)连接，真空室(15)与石英管(17)通过小孔连通，真空室(15)通过一个法兰口与真空泵(12)、过滤桶(11)连接，所述放电石英管(17)通过小孔与混合反应腔(14)连通，活性氢原子通过该小孔导入混合反应腔(14)诱导二叔丁基铍气相裂解。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于:所述小孔的直径为2.5mm，长度为4_。
【文档编号】C01B6/04GK103482571SQ201310441492
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】罗江山, 张吉强, 吴卫东, 罗炳池, 李恺, 何玉丹 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心