Бета-нитрид углерода - Beta carbon nitride

Схема (β-C ₃ N ₄ ). Этот рисунок представляет один слой в трехмерной молекуле. Каждый атом углерода имеет четыре связи, а каждый атом азота - три; связи, не изображенные на этой диаграмме, относятся к атомам в слое выше или ниже этого.

Бета-нитрид углерода (β-C ₃ N ₄ ) - это сверхтвердый материал, который, по прогнозам, тверже алмаза.

Материал был впервые предложен в 1985 году Эми Лю и Марвином Коэном . Изучая природу кристаллических связей, они предположили, что атомы углерода и азота могут образовывать особенно короткую и прочную связь в стабильной кристаллической решетке в соотношении 1: 1,3. То, что этот материал будет тверже алмаза по шкале Мооса, было впервые предложено в 1989 году.

Этот материал считался трудным для производства и не мог быть синтезирован в течение многих лет. Недавно было достигнуто производство бета-нитрида углерода. Например, наноразмерные кристаллы бета-нитрида углерода и наностержни из этого материала были приготовлены с использованием метода механохимической обработки.

Производство

Обработка

С помощью процесса механохимической реакции можно синтезировать β-C ₃ N ₄ . Этот метод достигается путем измельчения в шаровой мельнице высокочистых графитовых порошков до аморфных наноразмеров в атмосфере аргона, затем продувается аргон и графитовые порошки вводятся в атмосферу газообразного NH ₃ , которая после высокоэнергетической шаровой мельницы подвергается обработке. Обнаружено, что он образует наноразмерную хлопьевидную структуру β-C ₃ N ₄ . Во время измельчения, разрушения и сварки реагентов и частиц графитового порошка неоднократно происходят столкновения шариков с порошком. Пластическая деформация частиц графитового порошка происходит из-за разложения полос сдвига на субзерна, которые разделены малоугловыми границами зерен, дальнейшее измельчение уменьшает размер субзерен до тех пор, пока не образуются субзерна нанометрового размера. Высокое давление и интенсивное движение способствуют каталитической диссоциации молекул NH ₃ до одноатомного азота на изломанной поверхности углерода. Наноразмерные углеродные порошки действуют существенно иначе, чем их основной материал, из-за размера частиц и площади поверхности, заставляя наноразмерный углерод легко реагировать со свободными атомами азота, образуя порошок β-C ₃ N ₄ .

Производство наностержней

Монокристаллические наностержни β-C ₃ N ₄ могут быть сформированы после термического отжига порошкообразного или хлопьевидного соединения в потоке газа NH ₃ . Размер наностержней определяется температурой и временем термического отжига. Эти наностержни растут быстрее в направлении оси, чем в направлении диаметра, и имеют полусферические концы. Поперечное сечение наностержней указывает на призматическую морфологию их сечения. Было обнаружено, что они содержат аморфные фазы, однако при отжиге до 450 градусов Цельсия в течение трех часов в атмосфере NH ₃ количество аморфной фазы практически не уменьшилось. Эти наностержни являются плотными и двойниковыми, а не нанотрубками. Синтез этих наностержней посредством термического отжига обеспечивает эффективный, недорогой и высокопроизводительный метод синтеза монокристаллических наностержней.

Альтернативные методы синтеза

Вместо образования порошка или наностержня соединение нитрида углерода можно альтернативно формировать в тонких аморфных пленках с помощью технологии ударно-волнового сжатия, пиролиза предшественников с высоким содержанием азота, диодного распыления, сольвотермической подготовки, импульсной лазерной абляции или ионной имплантации .

Трудности обработки

Хотя сообщалось об обширных исследованиях процесса и синтеза образующегося нитрида углерода, концентрация азота в соединении, как правило, ниже идеального состава для C ₃ N ₄ . Это связано с низкой термодинамической стабильностью по отношению к элементам C и N ₂ , на что указывает положительное значение энтальпий образования . Коммерческое использование нанопорошков очень ограничено высокой стоимостью синтеза наряду со сложными методами производства, которые приводят к низкому выходу.

Характеристики

Структура

Структура была определена методами инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье , просвечивающей электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей . Используя SAED , можно определить поликристаллический β-C ₃ N ₄ с постоянной решетки a = 6,36 Å, c = 4,648 Å. Термический отжиг может использоваться для преобразования чешуйчатой структуры в сферическую или стержневую структуру.

Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и β- Si ₃ N _4, с гексагональной сеткой из тетраэдрически (sp ³ ) связанного углерода и тригонального плоского азота (sp ² ).

Наностержни, как правило, прямые и не содержат других дефектов.

Характеристики

Была предсказана твердость, равная или превышающая твердость алмаза (самого твердого известного материала), но еще не доказана.

Модуль объемной упругости алмаза составляет 4,43 МБар, в то время как β-C ₃ N ₄ имеет только модуль объемной упругости 4,27 МБар (± 0,15). Это наиболее близкий по задумке модуль объемной упругости к алмазу.

Возможные применения

Перспективен в области трибологии , износостойких покрытий, оптики и электронной техники.

Возможности создания композитов также существуют с использованием TiN в качестве затравочных слоев для нитрида углерода, что позволяет получать реальные кристаллические композиты с твердостью на уровне 45-55 (ГПа), что соответствует нижнему краю алмаза.

Прогнозируемая твердость чистого бета-нитрида углерода (4,27 ± 0,15 мбар ) аналогична твердости алмаза (4,43 мбар), что дает ему возможность быть полезным в тех же областях, что и алмаз.