B4C纳米带的气压反应合成、生长机理及热电性能研究

As theoretically expected , boron carbide (B4C) nanobelts have high potential applications in the recovery of waste heat. However, due to lack of effective preparation methods, the properties and applications of the B4C nanobelts has not yet been reported. On the basis of previous work, we propose a new route to fabricate B4C nanobelts in large scale in this project, which is called pressure enhanced chemical vapor reaction method (PE-CVR). The basic idea of this method is that, under certain conditions, reactive residue groups are released from raw material powders, react with each other and grow into B4C nanobelt along the optimized crystal growth direction of B4C, with the help of the right gaseous pressure. The advantages of this method are: not using catalysts, controllable, and scalable. In this project, the following items will be studied by both experiments and theoretical calculations: (1) the influences of processing parameters including raw material ratio, temperature, gas type, pressure, etc. on the structure and yield of B4C nanobelts; (2)the nucleation and growth mechanism of the B4C nanobelts; (3)thermoelectric properties of B4C nanobelts. By successfully implementing this project, the structure and properties of the B4C nanobelts will be revealed, laying the foundations for further applications of the B4C nanobelts.

理论上预期碳化硼(B4C)纳米带将具有优异的热电性能，在余热回收领域有广阔的应用前景。但目前尚缺乏B4C纳米带的有效制备方法和对性能与应用的研究。本项目拟在前期工作基础上采用气压增强化学气相反应法(PE-CVR)制备B4C纳米带，核心思想是通过气氛压力控制纳米材料的生长，即原料粉末在一定条件下发生反应并释放活性基团，合适的气氛压力促使活性基团之间发生反应并按最优的晶体学生长方向生长成为B4C纳米带。该方法具有不使用催化剂，可控，适合规模化合成等优点。本项目将研究制备工艺(原料配比、温度、气氛、压力等)对B4C纳米带结构和产率的影响规律；通过控制实验及理论计算揭示B4C纳米带的形核与生长机理；研究B4C纳米带的热电性能及微观机制。本项目的成功实施将阐明B4C纳米带的结构和热电特性，为其应用奠定基础。

首先非常感谢基金委的资助，使得申请人本人及项目组所有成员的科研事业得以进一步发展。在本项目的资助下，对碳化硼纳米带的制备工艺及形成机制进行了系统研究，对研究过程中的一些新发现进行了探索和挖掘，取得了一系列成果。在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Journal of Materials Chemistry A等材料类权威期刊发表论文28篇（均已标注本基金资助），申报发明专利38项，培养博士毕业生6人，硕士毕业生9人，获得黑龙江省技术发明奖二等奖1项。.本项目的研究计划的要点是：采用先驱体转化与CVD相结合的方法制备一维碳化硼纳米带，完成工艺优化、结构表征及性能研究。研究计划总体上得到了较好的完成。同时申请人项目组在原计划的基础上将该方法进行了拓展，将该工艺进一步推广到氮化铝、氮化硅、碳等纳米材料的制备及应用研究中，证明了该方法的普适性。此外，在该项目的执行过程中我们还有许多新的发现，如发现先驱体裂解产物具有良好的吸波性能和储能性能，开辟了吸波材料及储能材料两个新的研究方向，为下一步的科研工作开启了思路。.本项目根据研究计划开展工作，较好地完成了预期研究目标。.(1)完成了碳化硼先驱体的设计与制备工艺研究.通过聚氨硼烷和聚碳硅烷合成碳化硼的先驱体，通过氨硼烷与碳纳米管和石墨烯复合制备碳化硼先驱体。再通过高温热处理，制备了碳化硼纳米带。.(2)完成了碳化硼纳米带的制备、表征与性能研究.通过SEM，TEM，EDS，Raman光谱等手段对得到的碳化硼纳米带进行表征。结果表明，碳化硼纳米带呈现条带状，厚度几十纳米，宽度2-5微米，长度几百微米。通过工艺优化，发现通过延长保温时间，在配比为0.5:1和1:1的产物中能够得到较多的纳米带。对性能的研究发现碳化硼纳米带能够促进碳材料对电磁波的损耗。.(3)完成了先驱体分解机制与碳化硼纳米带生长机理研究.经过电镜分析，纳米带以陶瓷中的小颗粒为生长点进行生长，并且穿过了整个陶瓷，不仅在表面，在内部也有生长，生长机制为典型的VS生长机制。通过研究不同原料配比、热处理工艺等完成了对先驱体分解机制的分析。