[논문 리뷰] Synthesis of Three-Dimensionally Interconnected Hexagonal Boron Nitride Networked Cu-Ni Composite

Zahid Hussain, Hye-Won Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Aluminum Alloys Composites Properties참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 두 단계 과정을 통해 3차원적으로 상호연결된 헥사고날 붕소 nitride(3Di-hBN) 네트워크를 갖는 구리-니켈 복합재를 현장에서 합성하는 새로운 방법을 제시한다. 70 wt.% Cu, 30 wt.% Ni로 구성된 구리-니켈 흩어가 280 MPa에서 압축되어 다공성 프리폼을 형성한 후, 1000°C에서 금속-유기 화학 기상 에피택시(MOCVD)를 실시한다. 이 방법은 Cu-Ni 인터페이스 및 다공성 내부에서 hBN 핵형성과 성장을 가능하게 하여 기계적·열적 안정성이 높은 연속적인 3Di-hBN 네트워크를 형성하며, 복합재의 내구성을 향상시키고 거품 형태의 hBN을 추출하여 생의학 및 에너지 응용 분야에 활용할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3차원적으로 상호연결된 헥사고날 붕소 nitride(3Di-hBN) 네트워크를 구리-니켈 복합재에 스케일업 가능한 현장 합성 방법으로 제작하는 것.
• 기존 가공 방법으로는 금속 기반 복합재에서 균일하고 연속적인 hBN 네트워크를 확보하는 데 어려움이 있음을 해결하는 것.
• 소결 과정 중 형성된 다공성 구조를 hBN 핵형성과 성장을 위한 촉매적 위치로 활용하는 것.
• 복합재의 기계적·열적·화학적 열화에 대한 저항성을 향상시키는 견고하고 상호연결된 hBN 네트워크의 형성을 입증하는 것.
• 생의학 및 에너지 저장 응용을 위한 후속 응용을 위해 거품 형태의 3Di-hBN을 복합재에서 추출할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 70 wt.% Cu, 30 wt.% Ni로 구성된 구리-니켈 분말 혼합물을 280 MPa에서 압축하여 다공성 프리폼을 형성한다.
• 디카보란 및 암모니아를 붕소 및 질소 전구체로 사용하여 1000°C에서 금속-유기 화학 기상 에피택시(MOCVD)를 실시한다.
• Cu-Ni 합금 입자를 hBN 성장의 템플릿으로 활용하며, MOCVD 동안 B 및 N 원자가 합금 내부로 확산되는 것을 이용한다.
• 소결 과정에서 형성된 다공성이 hBN 층의 핵형성과 성장을 위한 촉매적 위치로 기능한다.
• 시스템을 냉각시켜 Cu-Ni 인터페이스에서 hBN 침전을 유도하고, 연속적인 3Di-hBN 네트워크를 형성한다.
• 에너지 분산 스펙트로스코피(EDS), 광학 현미경 및 전자현미경을 통해 hBN 형성 및 분포를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 단계 과정을 통해 3차원적으로 상호연결된 hBN 네트워크를 구리-니켈 기반 복합재 내에서 현장에서 합성할 수 있는가?
• RQ2 소결 과정에서 형성된 다공성이 복합재 내 hBN의 핵형성과 성장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Cu-Ni 합금 입자가 MOCVD 동안 hBN 성장의 템플릿으로 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 3Di-hBN 네트워크가 복합재의 기계적·열적·화학적 안정성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 생의학 및 에너지 저장 응용을 위한 후속 응용을 위해 거품 형태의 3Di-hBN을 복합재에서 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 1000°C에서의 현장 MOCVD를 통해 Cu-Ni 입자 주변에 연속적인 3차원 상호연결 hBN 네트워크가 성공적으로 형성되었다.
• 최적의 hBN 형성 조건은 280 MPa의 압축 압력과 30분의 소결 시간이었으며, 이 조건에서 부피 hBN의 형성을 최소화하고 네트워크 형성을 최대화하였다.
• 소결 과정에서 생성된 다공성이 hBN 핵형성과 성장을 위한 촉매적 위치로 기능하였으며, 에너지 분산 스펙트로스코피(EDS)로 확인되었다.
• 스캐닝 및 투과 전자현미경 분석을 통해 Cu-Ni 입자 주변에 잘 발달된 상호연결된 hBN 층 네트워크가 관찰되었다.
• 결과적으로 형성된 3Di-hBN-Cu-Ni 복합재는 기계적·열적·화학적 열화에 대한 저항성이 향상되었다.
• 복합재에서 거품 형태의 3Di-hBN이 성공적으로 추출되었으며, 생의학 및 에너지 저장 분야의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.