[論文レビュー] Synthesis of Three-Dimensionally Interconnected Hexagonal Boron Nitride Networked Cu-Ni Composite

Zahid Hussain, Hye-Won Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Aluminum Alloys Composites Properties参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2段階プロセスを用いて、Cu-Ni粉末（70 wt.% Cu、30 wt.% Ni）の圧縮成形ののちに1000°Cで金属有機化学気相成長（MOCVD）を施すことにより、三次元的連携構造を有する六方晶窒化ホウ素（3Di-hBN）ネットワークをインサイト上に合成する新規な手法を提示する。この手法により、Cu-Ni界面および内部の穴あき構造内にhBNの核生成と成長が可能となり、機械的および熱的安定性に優れる連続的3Di-hBNネットワークが形成される。このネットワークは複合材料の耐久性を向上させるとともに、医療およびエネルギー分野への応用を想定したフォーム状のhBNの抽出を可能にする。

ABSTRACT

A three-dimensionally interconnected hexagonal boron nitride (3Di-hBN) networked Cu-Ni (3Di-hBN-Cu-Ni) composite was successfully synthesized in situ using a simple two-step process which involved the compaction of mixed Cu-Ni powders (70 wt.% Cu and 30 wt.% Ni) into a disc followed by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) process at 1000{\\deg}C. During MOCVD, the Cu-Ni alloy grains acted as a template for the growth of hexagonal boron nitride (hBN) while decaborane and ammonia were used as precursors for boron and nitrogen, respectively. Boron and nitrogen atoms diffused into the Cu-Ni solution during the MOCVD process, precipitated out and grew along the Cu-Ni interfaces upon cooling. It was demonstrated that pores were generated during the sintering process and then filled by bulk hBN during the MOCVD process (indicated by energy dispersive spectroscopy) as the pores also served as catalytic sites for the nucleation and growth of hBN. Optical microscopy examination indicated that there was a minimum amount of bulk hBN at certain compaction pressure (280 MPa) and sintering time (30 min). Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy revealed that the interconnected network of hBN layers surrounding the Cu-Ni grains was developed in the 3Di-hBN-Cu-Ni composite. This 3Di-hBN network is expected to enhance the resistance of the 3Di-hBN-Cu-Ni composite against mechanical, thermal and chemical attacks. Moreover, foam-like 3Di-hBN was extracted from 3Di-hBN-Cu-Ni composite which could be further applied in the fields of biomedicine and energy storage.

研究の動機と目的

• 三次元的連携構造を有する六方晶窒化ホウ素（3Di-hBN）ネットワークを、Cu-Ni複合材料内にスケーラブルかつインサイトで合成するための手法を開発すること。
• 従来のプロセスでは達成が難しい金属マトリックス複合材料内での均一かつ連続的hBNネットワークの実現に課題を克服すること。
• 焼結中に生成される穴あき構造を、hBNの核生成と成長の触媒サイトとして活用すること。
• 機械的・熱的・化学的劣化に対する耐性を向上させる、頑丈で相互接続されたhBNネットワークの形成を実証すること。
• 下流の応用を想定し、フォーム状の3Di-hBNを複合材料から抽出可能であることを示すこと。

提案手法

• 70 wt.% Cu、30 wt.% NiのCu-Ni粉末混合物を280 MPaで圧縮成形して多孔質なプレフォームを形成する。
• デカボランおよびアンモニアをボロンおよび窒素の前駆体として用い、1000°Cで金属有機化学気相成長（MOCVD）を実施する。
• Cu-Ni合金粒子をhBN成長のテンプレートとして用い、MOCVD中にBおよびN原子が合金内に拡散することを活用する。
• 焼結中に生成される穴あき構造を、hBN層の核生成および成長の触媒サイトとして活用する。
• 冷却工程により、Cu-Ni界面にhBNが析出するようにし、連続的3Di-hBNネットワークを形成する。
• エネルギー分散型スペクトロスコピー（EDS）、光学顕微鏡、電子顕微鏡を用いてhBNの生成および分布を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2段階プロセスを用いて、Cu-Niマトリックス内に三次元的連携構造hBNネットワークをインサイトで合成可能か？
• RQ2 焼結中に生成される穴あき構造は、複合材料内でのhBNの核生成および成長にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Cu-Ni合金粒子がMOCVD中にhBN成長のテンプレートとして果たす役割は何か？
• RQ4 3Di-hBNネットワークは、複合材料の機械的・熱的・化学的安定性をどの程度向上させるか？
• RQ5 フォーム状の3Di-hBNを複合材料から抽出可能か？

主な発見

• 1000°CでのインサイトMOCVDにより、Cu-Ni粒子の周囲に連続的かつ三次元的連携構造hBNネットワークが成功裏に形成された。
• バルクhBNの生成を最小限に抑えつつネットワーク形成を最大化する最適な条件は、圧縮成形圧力280 MPaおよび焼結時間30分であった。
• 焼結中に生成された穴あき構造が、hBNの核生成および成長の触媒サイトとして機能しており、エネルギー分散型スペクトロスコピー（EDS）により確認された。
• 走査型および透過型電子顕微鏡の観察により、Cu-Ni粒子を包囲する良好に発達した相互接続されたhBN層ネットワークが観察された。
• 得られた3Di-hBN-Cu-Ni複合材料は、機械的・熱的・化学的劣化に対する耐性が向上していることが示された。
• フォーム状の3Di-hBNが複合材料から成功裏に抽出されたことから、医療およびエネルギー貯蔵分野への応用可能性が示唆された。