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氮化硼纳米片是如何被“剥”出来的?

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浏览: 发布日期:2019-08-21 16:22:17【
信息摘要:

由于石墨烯的崛起,层状二维(2D)纳米材料的优异性能逐渐受到重视。二维纳米材料层数的减少能够赋予它更独特的结构和性能,比如说氮化硼,单层的h-BN能拥有近6倍于h-BN粉末的导热系数。

原文标题:氮化硼纳米片是如何被“剥”出来的?

  由于石墨烯的崛起,层状二维(2D)纳米材料的优异性能逐渐受到重视。二维纳米材料层数的减少能够赋予它更独特的结构和性能,比如说氮化硼,单层的h-BN能拥有近6倍于h-BN粉末的导热系数。由于“导热”本身就是氮化硼最擅长的特技之一,因此为了进一步拓展它的应用范围,如何大量、快速地制备超薄氮化硼纳米片成为了材料界的热点话题。

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氮化硼

目前制备二维材料纳米片的方法大致可分为两类:“自下而上”法“自上而下”法。前者包括化学气相沉积法和外延生长法等,它们都可以制备高质量的二维纳米材料,但同时对二维材料的生长环境要求极高(高温高压)并且所得到的纳米片尺寸受基板尺寸限制,另外从基板上进行转移时也会对纳米片的质量和性能带来严重损失。因此“自上而下”法,也就是剥离法,也成为了氮化硼纳米片的主力合成方法之一。

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一、“剥”是怎样的一个过程?
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自上而下”法包括微机械剥离法和液相剥离法等。具体如下:

1.机械剥离法

机械剥离法是最早成功制备单层二维材料的方法,同时它也是最早的用于石墨烯剥离的方法。Pacile等人首先制备出单层的BN纳米片,他们把层状的氮化硼粘在SiO2衬底上,然后逐渐剥离至几个原子层厚度的碎片。该方法不如剥离石墨烯效果好,因为硼氮键有离子键特性,使得天然氮化硼层间的范德华力要比石墨大些。

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球磨法剥离六方氮化硼

传统球磨法在制备氮化硼纳米片领域很有前景,Li等人报道了一种温和的湿球磨法,这种方法制备的纳米片结晶度好,厚度仅有几个原子层,尺寸略有减小。此外他们还发现用苯甲酸苄酯作为润滑剂要比水、乙醇和十二烷效果好。

2.液相剥离法

作为“自上而下”法中的重要分支,液相剥离法近年来得到了深入的研究,它是指以液体为媒介,将二维材料原料直接剥离成二维材料纳米片的一类方法。该方法的剥离过程不需要进行化学性的氧化还原反应等过程。

目前液相剥离主要具有以下几种方式,具体如下:

A离子夹层:在液相环境中,离子进入块状材料层间,降低层间范德华力作用,然后再加以超声、加热或剪切力等作用,使其分层剥离开来。

B离子交换:有些层状化合物层间含有例子用以平衡表面电荷层,在溶液环境中,这些例子可被其他离子替换,然后分层剥离。

C超声辅助剥离:层状晶体在溶剂中超声,结果被玻璃产生纳米片层的结构。具备适当表面能的良溶剂能够使剥落的纳米片抵抗聚集稳定存在,不良溶剂则相反。

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液相剥离层状材料示意图

把商业购入的h-BN粉末放入二甲基甲酰胺中,经过10h超声分散后,再通过离心方法去除大体积氮化硼后,留下的氮化硼纳米片直径约几个微米,厚度仅有三个原子层。与机械剥离法相比,液相剥离法更具备大规模制备的可能性。

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二、被“剥离”的氮化硼纳米片有何优势?
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氮化硼纳米片最大的优势在于它在沿面内方向具有更大的导热率,还具有超高的径厚比和电绝缘性,而目前关于它的应用研究中,主要集中于填充改性高分子材料上。

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氮化硼纳米片复合材料导热机理

由于氮化硼纳米片可在低填充率下提高聚合物基复合材料的导热率,并且可以改善复合材料的热性能、力学性能及磁性能等,因此它对于导热聚合物基复合材料的发展来说,必将具有重要意义。

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