專利名稱：Mg₂B₂O₅一維納米棒的兩步制備法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備Mg2B2O5—維納米棒的新方法，采用機械力化學法和熱處理過程相結合的兩步法制備了 Mg2B2O5 —維納米棒,屬于納米材料技術領域。
背景技術：
硼酸鎂的化合物主要有MgB407、Mg2B205和Mg3B2O6三種形式。其中Mg2B2O5又稱焦硼 酸鎂，應用最為廣泛。一維納米結構的Mg2B2O5具有輕質、高韌、耐熱、耐磨、耐腐蝕等特性，在增強增韌材料中可提高復合材料的強度、彈性、硬度和壓伸強度等機械性能。此外，Mg2B2O5也是一種優(yōu)質的熱釋光材料的基質材料。目前，現有硼酸鎂一維納米結構的制備方法包括高溫燒結法、溶膠-凝膠法、水熱合成法、微波法等。獲得的一維納米結構包括納米線、納米管、納米棒、納米帶等。雖然上述制備方法已經獲得了各種納米結構硼酸鎂，但在制備技術上仍存在許多弊端。例如，微波法需要加熱介質ZnO達到反應溫度，反應后還需將最終產物與加熱介質ZnO分離，增加了工藝的復雜性；水熱法要求設備復雜，反應條件苛刻，并且對硼酸鎂晶須的生長機理尚不明確；化學氣相沉積法需要在特定保護氣氛下進行，合成溫度較高，只適合實驗室研究，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產；高溫固相合成過程中，若以MgCl2為鎂源，會產生腐蝕爐體的HCl氣體。針對以上制備技術上存在的問題，我們希望尋求一種能耗低、成本低、制備條件容易控制、后處理簡便的制備方法來獲得硼酸鎂一維納米材料。機械力化學法是利用機械能誘發(fā)化學反應、誘導材料結構和性能的變化，進而用于制備新材料或對材料進行改性。與傳統(tǒng)的化學合成法截然不同，一般傳統(tǒng)化學合成法涉及到的主要是氣態(tài)或液態(tài)反應，而機械力化學法的基本理論是固態(tài)化學。其基本原理是在球磨過程中，粉末顆粒與研磨介質之間不斷的碰撞，粉末顆粒被強烈的塑性形變，產生應力和應變，顆粒內部產生大量缺陷和晶界，使得擴散距離縮短，粉末活性提高，使得原子或離子擴散更容易進行，可以誘發(fā)許多熱化學無法實現的化學反應。機械力化學法在合成新材料方面具有以下特點(I)工藝流程簡單(2)無須使用溶劑從而減少了對環(huán)境的污染；(3)在常溫環(huán)境下，可以獲得其他傳統(tǒng)化學法很難或無法制備的亞穩(wěn)相產品。傳統(tǒng)的固相燒結工藝中，所需溫度較高，生長周期長，還需要添加助溶劑NaCl或KCl等才可以得到一維納米結構。而利用機械力化學反應得到的前軀體粉體顆粒尺寸小，其表面化學鍵斷裂產生的不飽和鍵、自由離子和電子導致系統(tǒng)內能增加，因此再經較低溫度(800°c )，燒結2h，可緩慢晶化，取向生長為一維納米棒。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是采用一種簡單、環(huán)保、低成本的方法合成出Mg2B2O5 —維納米棒。本發(fā)明之產物Mg2B2O5納米棒，其特征在于具有單晶結構，直徑約為200nm左右，長度大約4-5 μ m。本發(fā)明之Mg2B2O5 —維納米棒的制備方法屬于機械力化學法與熱處理過程相結合的兩步合成法，制備流程如圖I所示。其特征在于第一，利用機械力化學反應獲得的前驅體粉體為后熱處理過程中Mg2B2O5納米棒的生長建立了基礎。機械力化學作用一方面導致化學鍵的斷裂和重組，發(fā)生固態(tài)離子交換反應生成NaCl晶粒，另一方面使球磨粉體不斷的碰撞和研磨，顆粒尺寸不斷減小，比表面積增大，內部缺陷增多，晶格發(fā)生畸變，結晶度降低，出現了非晶化，生成絮狀Mg(BH4)2非晶體。第二，通過較低溫度(800°C )短時間(2h)燒結，使非晶態(tài)前軀體粉體Mg(BH4)2緩慢晶化成單斜相Mg2B2O5納米棒。實驗表明中間產物NaCl充當助溶劑的作用，有助于Mg2B2O5晶體的生長。本發(fā)明合成機理如圖2所示。原料NaBH4和MgCl2在球磨過程中(4小時以上)由于機械能發(fā)生固態(tài)離子交換反應，生成NaCl和Mg(BH4)2固溶體。經800°C燒結2h后，非晶態(tài)Mg (BH4) 2晶化成直徑約為200nm左右，長度 大約4_5 μ m的Mg2B2O5納米晶棒，燒結溫度接近球磨產物NaCl的熔點，因此NaCl在Mg(BH4)2晶化成Mg2B2O5晶棒的過程中起到助溶劑的所用。


圖IMg2B2O5納米棒合成流程2Mg2B205納米棒生長機理3Mg2B205 納米棒 XRD 4Mg2B205 納米棒 EDS 5Mg2B205 納米棒 SEM 6Mg2B205 納米棒 SAED 圖
具體實施例方式實施方案I.機械力化學過程獲得前軀體粉末。以MgCl2 ·6Η20和NaBH4粉術為初始原料，按Mg B = I 2摩爾比混合。使用行星式球磨機，研磨介質為ZrO2罐、球。球磨罐體積為250毫升，ZrO2球有直徑為10-30mm三種型號。球料比為10 1，轉速為300轉/分，球磨至120h后得到前軀體粉末。2.燒結前軀體粉末合成Mg2B2O5納米棒。將球磨120h后的粉料放置于水平真空爐中，以2V /min的升溫速率由室溫緩慢升至800°C，且在該溫度下恒溫2h，然后隨爐降至室溫。3.后處理。將燒結產物用去離子水洗滌多次以去除可溶性Na、Cl離子等，經離心、干燥得到灰白色粉末狀產物，XRD (圖3)和EDS(圖4)結果表明產物為單相Mg2B2O5, SEM(圖5)和SAED (圖6)表明產物Mg2B2O5為單晶晶棒。
權利要求
1.一種制備Mg2B2O5 —維納米棒的新方法。其特征在于，利用機械力化學法和固相燒結法相結合的兩步合成法。
2.根據權利要求I所述Mg2B2OjA米棒制備方法，其特征在于，第一步利用機械力化學反應使原料在室溫條件下發(fā)生固態(tài)離子交換，生成NaCl晶粒和絮狀Mg(BH4)2非晶體組成的前軀體粉末。
3.根據權利要求I所述Mg2B2O5納米棒制備方法，其特征在于，第二步通過燒結處理，使非晶態(tài)前軀體粉體Mg(BH4)2緩慢晶化成單斜相Mg2B2O5納米棒。
4.根據權利要求2所述前軀體制備方法中，其特征在于，以MgCl2· 6H20和NaBH4粉末為仞始原料，按Mg B = I 2摩爾比混合。使用行星式球磨機，研磨介質為ZrO2罐、球。球磨罐體積為250毫升，ZrO2球有直徑為10-30mm三種型號。球料比為10 1，轉速為300轉/分。
5.根據權利要求2所述前軀體制備方法中，其特征在于，球磨4小時以上，MgCl2·6Η20和NaBH4發(fā)生固態(tài)尚子交換反應。
6.根據權利要求3所述燒結獲得Mg2B2O5納米棒的方法中，其特征在于，燒結溫度為800°C，升溫速率為2V /min，保溫時間2h。
全文摘要
本發(fā)明涉及硼酸鎂(Mg2B2O5)一維納米棒的一種合成方法。采用機械力化學法和熱處理過程相結合的兩步合成法制備了Mg2B2O5一維納米棒，如圖所示。本發(fā)明其特征在于兩步法合成Mg2B2O5一維納米棒。第一步利用機械力化學反應，在室溫條件下使原料發(fā)生固態(tài)離子交換反應，生成NaCl晶粒和絮狀Mg(BH4)2非晶體組成的前驅體粉體；第二步燒結處理前軀體粉體，使非晶態(tài)Mg(BH4)2晶化成單斜相Mg2B2O5納米棒，中間產物NaCl充當助溶劑的作用，有助于Mg2B2O5晶體的生長。該方法與現有Mg2B2O5一維納米材料的合成技術相比，具有工藝簡單，環(huán)保、成本低廉的特點。
文檔編號B82Y40/00GK102633274SQ20111003801
公開日2012年8月15日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權日2011年2月15日
發(fā)明者李霜, 許大鵬 申請人:長春理工大學