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氮化硼納米片是如何被“剝”出來的?

發布日期:2019-09-05 作者: 點擊:

      由于石墨烯的崛起,層狀二維(2D)納米材料的優異性能逐漸受到重視。二維納米材料層數的減少能夠賦予它更獨特的結構和性能,比如說氮化硼,單層的h-BN能擁有近6倍于h-BN粉末的導熱系數。由于“導熱”本身就是氮化硼最擅長的特技之一,因此為了進一步拓展它的應用范圍,如何大量、快速地制備超薄氮化硼納米片成為了材料界的熱點話題。

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氮化硼納米片

      目前制備二維材料納米片的方法大致可分為兩類:“自下而上”法“自上而下”法。前者包括化學氣相沉積法和外延生長法等,它們都可以制備高質量的二維納米材料,但同時對二維材料的生長環境要求極高(高溫高壓)并且所得到的納米片尺寸受基板尺寸限制,另外從基板上進行轉移時也會對納米片的質量和性能帶來嚴重損失。因此“自上而下”法,也就是剝離法,也成為了氮化硼納米片的主力合成方法之一。


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一、“剝”是怎樣的一個過程?
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自上而下”法包括微機械剝離法和液相剝離法等。具體如下:

1.機械剝離法

機械剝離法是最早成功制備單層二維材料的方法,同時它也是最早的用于石墨烯剝離的方法。Pacile等人首先制備出單層的BN納米片,他們把層狀的氮化硼粘在SiO2襯底上,然后逐漸剝離至幾個原子層厚度的碎片。該方法不如剝離石墨烯效果好,因為硼氮鍵有離子鍵特性,使得天然氮化硼層間的范德華力要比石墨大些。

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球磨法剝離六方氮化硼

傳統球磨法在制備氮化硼納米片領域很有前景,Li等人報道了一種溫和的濕球磨法,這種方法制備的納米片結晶度好,厚度僅有幾個原子層,尺寸略有減小。此外他們還發現用苯甲酸芐酯作為潤滑劑要比水、乙醇和十二烷效果好。

2.液相剝離法

作為“自上而下”法中的重要分支,液相剝離法近年來得到了深入的研究,它是指以液體為媒介,將二維材料原料直接剝離成二維材料納米片的一類方法。該方法的剝離過程不需要進行化學性的氧化還原反應等過程。

目前液相剝離主要具有以下幾種方式,具體如下:

A離子夾層:在液相環境中,離子進入塊狀材料層間,降低層間范德華力作用,然后再加以超聲、加熱或剪切力等作用,使其分層剝離開來。

B離子交換:有些層狀化合物層間含有例子用以平衡表面電荷層,在溶液環境中,這些例子可被其他離子替換,然后分層剝離。

C超聲輔助剝離:層狀晶體在溶劑中超聲,結果被玻璃產生納米片層的結構。具備適當表面能的良溶劑能夠使剝落的納米片抵抗聚集穩定存在,不良溶劑則相反。

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液相剝離層狀材料示意圖

Zhi等人先把商業購入的h-BN粉末放入二甲基甲酰胺中,經過10h超聲分散后,再通過離心方法去除大體積氮化硼后,留下的氮化硼納米片直徑約幾個微米,厚度僅有三個原子層。與機械剝離法相比,液相剝離法更具備大規模制備的可能性。


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二、被“剝離”的氮化硼納米片有何優勢?
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氮化硼納米片最大的優勢在于它在沿面內方向具有更大的導熱率,還具有超高的徑厚比和電絕緣性,而目前關于它的應用研究中,主要集中于填充改性高分子材料上。


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氮化硼納米片復合材料導熱機理

由于氮化硼納米片可在低填充率下提高聚合物基復合材料的導熱率,并且可以改善復合材料的熱性能、力學性能及磁性能等,因此它對于導熱聚合物基復合材料的發展來說,必將具有重要意義。


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