专利名称：脉冲激光诱导液——固界面反应制备亚稳态纳米晶的方法
技术领域：
本实用新型涉及一种人工合成亚稳态纳米晶的制备方法。
亚稳态纳米晶，如立方氮化硼、金刚石和氮化碳纳米晶都是目前研究最为广泛的超硬材料。氮化碳材料是C0hen和Liu根据理论计算出来的与Si3N4结构相似的一种新型超硬材料，β-C3N4的硬度可能与金刚石硬度相当或高于金刚石。最近Tetert和Hemly在理论上指出存在五种C3N4石墨相、α相、β相、伪立方相和立方相。由于氮化碳这种新型材料的独特性质和诱人的应用前景，因此，从实验上合成氮化碳这种新型材料就成为材料研究工作者的研究重点。如果谁先从实验上合成这种材料，就将在氮化碳材料研究方面突破性的进步，并取得有利的地位。天然金刚石非常稀少，立方氮化硼也是人工合成的一种超硬材料。目前，人们只有在一些极端条件下(如高温高压)才能合成这些亚稳态纳米晶。但这些方法的设备昂贵，制造条件要求高，从而限制了对它们的应用研究。特别是氮化碳材料，目前还没有制备出令人信服的单晶晶体。爆炸法曾被用来合成金刚石和立方氮化硼纳米晶，但些方法危险性大，合成的样品质量不高，而且提纯程序复杂。
本发明的目的在于提供一种在常温常压下制备亚稳态纳米晶的方法。
本发明的目的是通过如下途径实现的一种脉冲激光诱导液-固界面反应制备亚稳态纳米晶的方法，将化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼固体材料置于液固反应器中，在反应器中加入有机或无机碳氢化合物溶液或二次蒸馏水至高出化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼固体材料1-2mm，形成一个液固界面，激光器发出的激光通过凸透镜聚焦后，通过反光镜的反射导向液固反应器中，在液固界面作用30-60分钟后，收集反应器中的粉末，将粉末放在强高锰酸钾溶液中加热到180-222摄氏度，提纯亚稳态纳米晶。激光能量为106～1010W/cm2，激光波长可以从可见光到红外波段，脉冲激光器的脉宽为1-20纳秒。
本发明的特点是原材料价格低廉，只需常温常压，所需设备简单，造价低，工作环境无危险性，操作简单，安全可靠，具有很大的应用前景。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
图1为本发明工艺装置流程图；实施例1；如图1所示，本发明所用仪器与材料为NdYAG固体激光器，带通滤光片1、光学凸透镜2、反光镜3、液固反应器4，首先将化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼进行清洗，然后置于液固反应器4中作为激光靶，向液固反应器4中缓慢注入化学纯丙酮溶液，使丙酮溶液液面高出激光靶1-2mm，启动YAG脉冲激光器，使激光通过带通滤光片1经光学凸透镜2聚焦后再经反光镜3导向液固反应器4中的激光靶，调节激光输出功率，使激光作用作用在激光靶上的功率密度达到1010W/cm2。当脉冲激光作用在液固界面时，熔蚀激光靶并在其表面产生碳的原子、分子和活性基团以及大量离子、电子等离子体羽。在一个脉冲内，等离子体羽吸收激光能量，成为处于高温高压高密度快速膨胀的等离子体团。这个等离子体团又使其接触界面附近丙酮溶液汽化、分解，离化为原子、分子、活性基团和离子。这样，由于等离子体团的快速膨胀使得等离子体中的各种活性粒子与界面附近丙酮溶液中的活性粒子反应，生成纳米晶。随着脉冲的结束，等离子体团快速淬灭，活性粒子反应停止，纳米晶也停止生长，这样就在液体中合成了具有压稳结构的纳米晶，经过一段长时间打靶后，将样品自然干燥，收集粉末并放在强高锰酸钾溶液中并加热至200摄氏度左右，石墨粉被腐蚀掉而剩下金刚石粉末。将剩下的粉末样品干燥后放在H800透射电子显微镜和EM420高分辩电子显微镜下进行分析，表明制备出的粉末样品中含有六方金刚石和立方金刚石。
实施例2；如图1所示，本发明所用仪器与材料为NdYAG固体激光器，带通滤光片1、光学凸透镜2、反光镜3、液固反应器4，首先将化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼进行清洗，然后置于液固反应器4中作为激光靶，向液固反应器4中缓慢注入液氨溶液，使液氨溶液液面高出激光靶1-2mm，启动YAG脉冲激光器，使激光通过带通滤光片1经光学凸透镜2聚焦后再经反光镜3导向液固反应器4中的激光靶，调节激光输出功率，使激光作用作用在激光靶上的功率密度达到1010W/cm2。当脉冲激光作用在液固界面时，熔蚀激光靶并在其表面产生碳的原子、分子和活性基团以及大量离子、电子等组成的离子体羽。在一个脉冲内，等离子体羽吸收激光能量，成为处于高温高压高密度快速膨胀的等离子体团。这个等离子体团又使其接触界面附近液氨溶液汽化、分解，离化为原子、分子、活性基团和离子。这样，由于等离子体团的快速膨胀使得等离子体中的各种活性粒子与界面附近液氨溶液中的活性粒子反应，生成氮化碳纳米晶核，并由于有大量碳粒子和氮的各种粒子提供，氮化碳晶核就慢慢长大。随着脉冲的结束，等离子体团快速淬灭，活性粒子反应停止，纳米晶也停止生长，这样就在液体中合成了具有压稳结构的纳米晶，经过一段长时间打靶后，将样品自然干燥，收集粉末并放在强高锰酸钾溶液中并加热至200摄氏度左右，石墨粉被腐蚀掉而剩下氮化碳粉末。将剩下的粉未样品干燥后放在H800透射电子显微镜和EM420高分辩电子显微镜下进行分析，有石墨相、α相、β相和立方相的氮化碳纳米晶体。
权利要求
1.一种脉冲激光诱导液-固界面反应制备亚稳态纳米晶的方法，其特征在于将化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼固体材料置于液固反应器中，在反应器中加入有机或无机碳氢化合物溶液或二次蒸馏水至高出化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼固体材料1-2mm，形成一个液固界面，激光器发出的激光通过凸透镜聚焦后，通过反光镜的反射导向液固反应器中，在液固界面作用30-60分钟后，收集反应器中的粉末，将粉末放在强高锰酸钾溶液中加热到180-222摄氏度，提纯亚稳态纳米晶。
2.如权利要求1所述脉冲激光诱导液-固界面反应制备亚稳态纳米晶的方法，其特征在于激光能量为106～1010W/cm2，激光波长可以从可见光到红外波段，脉冲激光器的脉宽为1-20纳秒。
全文摘要
本发明公开了一种人工合成亚稳态纳米晶的方法,将化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼固体材料置于液固反应器中,在反应器中加入有机或无机碳氢化合物溶液或二次蒸馏水至高出化学纯石墨、立方氮化硼或碳化硼固体材料1—2mm,形成一个液固界面,激光器发出的激光通过凸透镜聚焦后,通过反光镜的反射导向液固反应器中,在液固界面作用30—60分钟后,收集反应器中的粉末,将粉末放在强高锰酸钾溶液中加热到180—222摄氏度,提纯亚稳态纳米晶。本发明的特点是原材料价格低廉,只需常温常压,所需设备简单,造价低,工作环境无危险性,操作简单,安全可靠,具有很大的应用前景。
文档编号C30B29/10GK1335420SQ0012668
公开日2002年2月13日 申请日期2000年11月15日 优先权日2000年11月15日
发明者王金斌, 杨国伟, 刘秋香 申请人:湘潭大学