[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过两步法实现了三维互连六方氮化硼（3Di-hBN）网络在铜镍复合材料中的原位合成：首先将铜镍粉末（70 wt.% Cu，30 wt.% Ni）压制成致密预成型体，随后在1000°C下进行金属有机化学气相沉积（MOCVD）。该方法使hBN在铜镍界面及孔隙内实现成核与生长，形成连续、机械与热稳定性优异的3Di-hBN网络，显著提升复合材料的耐久性，并可提取泡沫状hBN，适用于生物医学与能源应用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的原位方法，用于在铜镍复合材料中制备三维互连六方氮化硼（3Di-hBN）网络。
• 克服传统工艺在金属基复合材料中难以实现均匀、连续hBN网络的挑战。
• 利用烧结过程中形成的孔隙作为hBN成核与生长的催化位点。
• 证明坚固、互连的hBN网络可显著提升复合材料对机械、热及化学降解的抗性。
• 实现泡沫状3Di-hBN从复合材料中的提取，以拓展其在生物医学与能量存储领域的应用潜力。

提出的方法

• 在280 MPa压力下将铜镍粉末混合物（70 wt.% Cu，30 wt.% Ni）压制成盘状多孔预成型体。
• 在1000°C下进行金属有机化学气相沉积（MOCVD），以十硼烷和氨气分别作为硼源与氮源。
• 利用铜镍合金晶粒作为hBN生长的模板，同时在MOCVD过程中使B与N原子扩散进入合金。
• 利用烧结过程中形成的孔隙作为hBN层成核与生长的催化位点。
• 冷却系统以促使hBN在铜镍界面处析出，形成连续的3Di-hBN网络。
• 通过能谱分析（EDS）、光学显微镜与电子显微镜确认hBN的形成及其分布情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过两步法在铜镍基体中实现三维互连hBN网络的原位合成？
• RQ2 烧结过程中形成的孔隙在hBN成核与生长过程中起到何种作用？
• RQ3 铜镍合金晶粒在MOCVD过程中作为hBN生长模板所起的作用是什么？
• RQ4 3Di-hBN网络在多大程度上提升了复合材料的机械、热与化学稳定性？
• RQ5 能否从复合材料中提取出泡沫状3Di-hBN以用于后续应用？

主要发现

• 通过1000°C下的原位MOCVD成功在铜镍晶粒周围形成连续的三维互连hBN网络。
• 在280 MPa的压制成型压力与30分钟的烧结时间下，hBN形成效果最佳，有效减少体相hBN含量并最大化网络结构形成。
• 烧结过程中生成的孔隙作为hBN成核与生长的催化位点，经能谱分析（EDS）得到证实。
• 扫描与透射电子显微镜观察显示，hBN层在铜镍晶粒周围形成了发育良好、相互连接的网络结构。
• 所得3Di-hBN-Cu-Ni复合材料表现出对机械、热及化学降解的显著增强抗性。
• 成功从复合材料中提取出泡沫状3Di-hBN，表明其在生物医学与能量存储领域具有应用潜力。