毫米級立方氮化硼大單晶的合成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于立方氮化硼合成技術領域，尤其涉及一種毫米級立方氮化硼大單晶的合成方法。
【背景技術】
[0002]立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，具有很高的熱穩(wěn)定性、極強的化學穩(wěn)定性。工業(yè)合成立方氮化硼的方法通常是六方氮化硼為原料、堿金屬或堿土金屬L1、Mg、Ca等及其氮化物和硼氮化物為觸媒材料在高溫高壓條件下合成的，其合成是一種特殊的晶體生長過程，立方氮化硼晶體長粗較為困難，在達到一定生長時間(通常在30min以內)后再延長合成時間，對立方氮化硼晶體長大沒有效果。而粗粒度立方氮化硼是一種具有發(fā)展前景的新材料，除了用于磨具刀具材料外，其優(yōu)越的功能特性可使其作為寬帶隙半導體材料、熱沉材料、高溫半導體器件乃至特殊光學器件。發(fā)明專利CN100542949C《粗粒度立方氮化硼的合成方法》披露了一種合成30?60目的合成方法。目前30目以細的單晶立方氮化硼目前的合成工藝較為成熟，而更粗至18目完整晶型的立方氮化硼單晶較難合成。國外大多采用晶種法合成大顆粒立方氮化硼，工藝復雜，組裝成本高，生長緩慢，合成質量差，不能夠大規(guī)模推廣應用。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明提供了一種生長迅速、粒度達到毫米級、晶型較完整的立方氮化硼單晶的合成方法。
[0004]本發(fā)明以三元氮硼化物Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca 3B2N4和二元氮化物Li 3N以及單質金屬Mg或Al的混合物為觸媒，精制高純度HBN為原料，兩者以粉末狀均勻混合，按照本發(fā)明較低暫停壓力和合成壓力、保持時間并在保壓階段繼續(xù)均勻升壓的合成工藝合成出粒度達到毫米級的立方氮化硼單晶。
[0005]實現本發(fā)明所采取的技術方案是:一種毫米級立方氮化硼大單晶的合成方法，包括如下步驟:
第一步，將三元觸媒Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca 3B2N4粉末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Mg或Al粉末的混合物做為復合觸媒，并與含量為BN ^ 99.5%,B2O3^ 0.2%的高純度HBN原料，按三元觸媒=Li3N -Mg或Al:HBN=8?15:5?10:1?4:100的質量比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱；
第二步，將上述步驟中壓制的圓柱體裝入石墨加熱管中組裝成合成棒，再裝入葉臘石組裝塊中做成合成塊；
第三步，將合成塊裝入六面頂壓機的高壓腔中，加壓至35MPa開始加熱，到40?50MPa，溫度加熱至1300?1600°C，保持5?lOmin，控制立方氮化硼晶體成核，繼續(xù)升壓到合成壓力80MPa，保壓50?120min，在此保壓過程中由PLC控制壓力均勻緩升至100?105MPa，保壓結束后停止加熱，等待3min后卸壓； 第四步，將得到的高溫高壓合成物取出，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體；
第五步，將得到的立方氮化硼晶體用篩機篩分，即可得到各個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以及單質金屬Mg或Al均可做為立方氮化硼合成的觸媒，其中三元氮硼化物Li3BN2、Mg3B2N4, 0&##4是反應體系中的熔劑，加入二元氮化物Li3N以及單質金屬Mg或Al可以增加體系的反應活性，促進立方氮化硼晶體生長。在高溫高壓合成中，采用較低的加溫壓力、較低的暫停保持壓力和較長的保持時間來控制晶體成核，到達合成壓力后繼續(xù)加壓保證持續(xù)生長的動力，保證晶體連續(xù)生長。
[0007]按照本發(fā)明方法合成出的立方氮化硼，晶體粒度達到了 18目，其中16?30目所占比例達到50?70%，晶型較完整，工藝穩(wěn)定具有生產價值。
【具體實施方式】
[0008]本發(fā)明的毫米級立方氮化硼大單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以及單質金屬Mg或Al的混合物為觸媒，精制含量BN彡99.5%、B2O3S 0.2%的高純度HBN為原料，兩者以粉末狀均勻混合，按照本發(fā)明的工藝合成出粒度達到毫米級的立方氮化硼單晶。
[0009]實施例1:
將三元觸媒1^忑隊粉末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Mg粉末和精制HBN為原料，按質量比=Li3BN2 = Li 3N:Mg:HBN=1:8:2:100的比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱，裝入石墨加熱管中制成合成棒，裝入六面頂壓機合成腔體中，加壓到35MPa，開始加熱，到42MPa，溫度達到1650°C保持8min，繼續(xù)升壓至80MPa，溫度達到1650°C保持60min，期間壓力由PLC控制均勻緩升lOOMPa，保壓結束后停止加熱，等待3min卸壓。取出合成物，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體，用篩機篩分得到各個粒度的立方氮化硼晶體，晶體呈琥珀色、透明，其中16?20目所占比例可達24%，20?30目所占比例達32%，晶形較完整。
[0010]實施例2:
將三元觸媒1^忑隊粉末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Al粉末和精制HBN為原料，按質量比=Li3BN2 = Li 3N:A1:HBN=1:8:2:100的比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱，裝入石墨加熱管中制成合成棒，裝入六面頂壓機合成腔體中，加壓到35MPa，開始加熱，到42MPa，溫度達到1600°C保持8min，繼續(xù)升壓至80MPa，溫度達到1650°C保持80min，期間壓力由PLC控制均勻緩升lOOMPa，保壓結束后停止加熱，等待3min卸壓。取出合成物，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體，用篩機篩分得到各個粒度的立方氮化硼晶體，晶體呈琥珀色、透明，其中16?20目所占比例可達27%，20?30目所占比例達33%，晶形較完整。
[0011]實施例3:
將三元觸媒Mg3B2N4?末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Mg粉末和精制HBN為原料，按質量比=Mg3B2N4=Li 3N:Mg:HBN= 12:8:2:100的比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱，裝入石墨加熱管中制成合成棒，裝入六面頂壓機合成腔體中，加壓到35MPa，開始加熱，到42MPa，溫度達到1550°C保持8min，繼續(xù)升壓至80MPa，溫度達到1600°C保持90min，期間壓力由PLC控制均勻緩升103MPa，保壓結束后停止加熱，等待3min卸壓。取出合成物，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體，用篩機篩分得到各個粒度的立方氮化硼晶體，晶體呈黃色、半透明，其中16?20目所占比例可達29%，20?30目所占比例達35%，晶形較完整。
[0012]實施例4:
將三元觸媒Mg3B2N4?末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Al粉末和精制HBN為原料，按質量比=Mg3B2N4=Li 3N:A1:HBN= 12:8:2:100的比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱，裝入石墨加熱管中制成合成棒，裝入六面頂壓機合成腔體中，加壓到35MPa，開始加熱，到42MPa，溫度達到1550°C保持8min，繼續(xù)升壓至80MPa，溫度達到1600°C保持90min，期間壓力由PLC控制均勻緩升103MPa，保壓結束后停止加熱，等待3min卸壓。取出合成物，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體，用篩機篩分得到各個粒度的立方氮化硼晶體，晶體呈黃色、半透明，其中16?20目所占比例可達30%，20?30目所占比例達33%，晶形較完整。
[0013]實施例5:
將三元觸媒Ca3B2N4?末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Mg粉末和精制HBN為原料，按質量比:Ca3B2N4:Li 3N:A1:HBN= 13:8:2:100的比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱，裝入石墨加熱管中制成合成棒，裝入六面頂壓機合成腔體中，加壓到35MPa，開始加熱，到42MPa，溫度達到1500°C保持8min，繼續(xù)升壓至80MPa，溫度達到1550°C保持IlOminJj^間壓力由PLC控制均勻緩升105MPa，保壓結束后停止加熱，等待3min卸壓。取出合成物，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體，用篩機篩分得到各個粒度的立方氮化硼晶體，晶體呈黃色、透明，其中16?20目所占比例可達31%，20?30目所占比例達34%，晶形較完整。
[0014]實施例6:
將三元觸媒Ca3B2N4?末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Al粉末和精制HBN為原料，按質量比:Ca3B2N4:Li 3N:A1:HBN= 13:8:2:100的比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱，裝入石墨加熱管中制成合成棒，裝入六面頂壓機合成腔體中，加壓到35MPa，開始加熱，到42MPa，溫度達到1500°C保持8min，繼續(xù)升壓至80MPa，溫度達到1550°C保持IlOminJj^間壓力由PLC控制均勻緩升105MPa，保壓結束后停止加熱，等待3min卸壓。取出合成物，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體，用篩機篩分得到各個粒度的立方氮化硼晶體，晶體呈黃色、透明，其中16?20目所占比例可達33%，20?30目所占比例達32%，晶形較完整。
【主權項】
1.一種毫米級立方氮化硼大單晶的合成方法，其特征在于:包括如下步驟: 第一步，將三元觸媒Li3BN2S Mg 3B2N4或Ca 3B2N4粉末和二元觸媒Li 3N粉末以及單質金屬Mg或Al粉末的混合物做為復合觸媒，并與含量為BN ^ 99.5%,B2O3^ 0.2%的高純度HBN原料，按三元觸媒=Li3N -Mg或Al:HBN=8?15:5?10:1?4:100的質量比例分別取料，均勻混合后壓制成圓柱； 第二步，將上述步驟中壓制的圓柱體裝入石墨加熱管中組裝成合成棒，再裝入葉臘石組裝塊中做成合成塊； 第三步，將合成塊裝入六面頂壓機的高壓腔中，加壓至35MPa開始加熱，到40?50MPa，溫度加熱至1300?1600°C，保持5?lOmin，控制立方氮化硼晶體成核，繼續(xù)升壓到合成壓力80MPa，保壓50?120min，在此保壓過程中由PLC控制壓力均勻緩升至100?105MPa，保壓結束后停止加熱，等待3min后卸壓； 第四步，將得到的高溫高壓合成物取出，經過破碎、注水浸泡、常規(guī)酸堿處理得到立方氮化硼晶體； 第五步，將得到的立方氮化硼晶體用篩機篩分，即可得到各個粒度的立方氮化硼成品。
【專利摘要】本發(fā)明屬于立方氮化硼合成技術領域，尤其涉及一種毫米級立方氮化硼大單晶的合成方法。其主要特點是：選擇含量為BN≥99.5%、B2O3≤0.2%的高純度HBN原料，并與三元觸媒Li3BN2或Mg3B2N4或Ca3B2N4粉末和二元觸媒Li3N粉末以及單質金屬Mg或Al粉末的混合，并按照所述的工藝方法合成出毫米級立方氮化硼大單晶。按照本發(fā)明方法合成出的立方氮化硼，晶體粒度達到了18目，其中16～30目所占比例達到50～70%，晶型較完整，工藝穩(wěn)定具有生產價值。
【IPC分類】C30B1/12, C30B29/40, B01J3/06
【公開號】CN105080429
【申請?zhí)枴緾N201510495464
【發(fā)明人】張相法, 賈攀, 張奎, 位星, 劉紅偉
【申請人】鄭州中南杰特超硬材料有限公司
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年8月13日