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摘要

本论文通过查阅文献的调研方式认识和了解纳米材料的特点，以及应用前景。

量子材料具有表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应。

本论文详细介绍了纳米材料的发展及在各个领域的应用。

通过实验的方法进一步了解溶剂热法的实验原理、实验装置，熟悉操作步骤。

溶剂热法是在水热法的研究基础上发展起来的，也称之为非水溶液水热法。

与其它传统制备路线相比，溶剂热合成的显著特点在于：

反应在有机溶剂中进行，能够有效地抑制产物的氧化，防止空气中氧的污染，这对于高纯物质的制备是非常重要的；

在有机溶剂中，反应物可能具有很高的反应活性，这可以代替固相反应，实现某些物质的软化学合成，有时溶剂热法可以获得一些具有特殊光学、电学、磁学性能的亚稳相。

氮化碳的硬度可以和金刚石相媲美，因此引起了科学家的重视。

在理论预言下，各国科学家都在探索合成氮化碳材料的新方法，比如：

高温高压法、离子注入法、气相沉积法、液相电沉积法、溶剂热法等。

由于实验中很难得到大的高质量的氮化碳单晶，氮化碳的结构表征也存在着很大的不确定性，由于采用多种方法所合成的氮化碳薄膜中氮碳原子比一般均比氮化碳晶体的理论配比小，因此氮在氮碳薄膜中的含量成为评价薄膜但是氮化碳的优异性能吸引着科学家，氮化碳材料将会是材料领域的一颗“新星”。

质量的一个重要因素。

虽然氮化碳合成比较困难，本论文通过实验合成氮化碳，通过分析产物进一步了解氮化碳。

关键词：

溶剂热，纳米材料，氮化碳，盐酸肼，三氯代嗪，苯

THESOLVOTHERMALNANOCARBONNITDRITE

Inthisthesis,throughliteratureresearchknowledgeandunderstandingofthecharacteristicsofnanomaterials,aswellasapplicationprospects.Quantummaterialhasasurfaceeffect,smallsizeeffect,quantumeffectsandmacroscopicquantumtunnelingeffect.Thispaperintroducesthedevelopmentofnanomaterialsinvariousfieldsofapplication.Experimentalmethodstofurtherunderstandthesolvothermaltheexperimentalprinciple,experimentaldevice,familiarwiththeprocedure.Thesolvothermalisdevelopedbasedonthestudyofthehydrothermalmethod,alsoknownasthenon-aqueoushydrothermalmethod.Comparedwithotherconventionalpreparativeroute,significantlycharacterizedinthatthesolvothermalsynthesis:

thereactioniscarriedoutinanorganicsolvent,oxidationoftheproductcanbeeffectivelysuppressed,topreventthecontaminationofoxygenintheair,thisisveryimportantforthepreparationofhighpuritysubstances;

inanorganicsolvent,thereactionmayhavehighreactivity,whichcanreplacethesolidphasereactionsoftchemicalsynthesisofcertainsubstances,sometimessolvothermalcangetsomespecialoptical,electrical,magneticpropertiesofmetastablephase.Thehardnessofcarbonnitrideanddiamondcomparable,thuscausingtheattentionofscientists.Theoreticalpredictions,thescientistsinallcountriestoexplorenewmethodsofsynthesisofcarbonnitridematerials,suchas:

hightemperatureandhighpressure,ionimplantationmethod,vapordeposition,liquidelectrodeposition,solvothermalmethod.Carbonnitridesinglecrystalofhighqualityisdifficulttoobtainduetotheexperimentalcharacterizationofthestructureofthecarbonnitridethereisgreatuncertainty,theratioofnitrogentocarbonatomsinthecarbonnitridefilmssynthesizedusingavarietyofmethodsUsuallythanthecarbonnitridecrystalstoichiometricsmall,thereforethecontentofnitrogeninthenitrogeninthecarbonthinfilmbecomesanimportantfactorforevaluationoffilmquality.Althoughthesynthesisofcarbonnitrideismoredifficult,butthecarbonnitrideexcellentperformancetoattractscientists,carbonnitridematerialfieldwillbea"

RisingStar"

.ThepaperthroughexperimentalsynthesisofcarbonnitrideLearnmoreaboutcarbonnitridebyanalyzingtheproduct.

Solvothermal,Nanomaterials,Carbonnitride,Hydrazinehydrochloride,Trichlorobenzenetriazine,Benzene

目录

目录4

前言5

第一章绪论7

§

1.1氮化碳的理论研究及目前的研究现状7

1.2氮化碳的优异性能和应用前景11

1.3纳米材料研究及应用12

1.3.1纳米技术的研究12

1.3.2纳米材料的应用17

第二章纳米材料的制备与溶剂热法21

2.1纳米材料的制备方法21

2.2溶剂热法的原理和特点22

2.3溶剂热法的应用与发展23

第三章氮化碳的制备与测试28

3.1制备氮化碳的相关仪器和实验流程28

3.2制备的氮化碳的形状和性能30

3.2.1样品物相分析30

3.2.2样品化学键与组成分析30

3.2.3样品微观形貌与结构分析33

3.2.4样品热稳定性分析34

第四章总结

36

4.1本论文的主要内容与结论36

4.2溶剂热法应用前景及展望36

4.3氮化碳的应用前景及展望37

参考文献38

致谢41

前言

氮化碳材料以其高硬度、低摩擦系数、优良的抗磨、抗腐的力学性能，良好的热导率、宽光谱透过范围和禁带宽度以及优异的场发射性能，在防摩损涂层材料、绝缘材料、光学涂层材料、太阳能电池等各个领域具有光明的应用前景。

在众多的材料合成方法中，溶剂热法具有反应条件温和，成本低，操作相对简单而且易于控制等优点，也被用于氮化碳材料的合成。

本论文要求学生通过文献调研和相关实验，掌握溶剂热法制备纳米材料的基本原理和工艺流程，利用溶剂热法，选择合适的反应前驱物，制备出氮化碳材料。

本论文通过调研了解氮化碳的优异性能及其应用前景，掌握溶剂热法制备氮化碳材料的基本原理和特点；

通过实验熟悉并掌握溶剂热法制备氮化碳的操作流程，并能熟练操作相关仪器。

1989年，美国科学家Liu和Cohen从

-Si3N4的结构出发，利用固体体弹模量的经验计算公式，从理论上预言

-C3N4的硬度可以和金刚石相媲美，同时指出该材料还具有一系列独特的力学、光学和摩擦性能。

这一预言引起了物理学家、化学家和材料学家的兴趣和广泛关注。

此后，许多实验和理论工作相继展开，对这种材料及其同系物进行了系统的探索研究。

1996年，Teter和Hemley通过计算，认为C3N4可能具有5种结构：

相

-C3N4，

-C3N4，立方相c-C3N4，准立方相p-C3N4以及类石墨相g-C3N4。

除了类石墨相外，其他4种结构物质的硬度都可以与金刚石相媲美。

除了超硬度之外，C3N4材料还具有较宽的光学带隙、较高的折射率、热导率、良好的韧性及优良的摩擦、电子、化学等特性，使其在电子激发装置、可变能带半导体和坚硬透明膜等方面有巨大的应用前景。

在理论的预言下，人们采用各种手段试图在实验室合成出这种新的低密度、高硬度的非极性共价键化合物。

常用的制备方法有振荡波压缩、高压热解、离子注入、反应溅射、等离子体化学气相沉积、电化学沉积、离子束沉积、低能离子辐射、脉冲电弧放电和脉冲激光诱导等。

但迄今为止，无法制备C3N4块体材料及单晶材料，绝大多数方法制备的C3N4都是非晶态薄膜。

研究表明，非晶态的C3N4薄膜仍具有优异的电学性能、光学性能以及高弹性、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等，具有十分广阔的应用前景。

本文首先综述了氮化碳的晶体结构、研究历史和现状。

通过溶剂热法制备氮化碳晶体。

在该体系中，以三氯代嗪（C3C13N3）作为碳、氮源，以盐酸胼（N2H4·

2HCl）作为氮化剂，制备了石墨型氮化碳纳米晶，实验条件分别为60MPa，220、250、280℃。

通过对实验结果的分析与总结，表明反应温度和反应体系的压力对产物的结晶质量和形貌具有重要影响。

总之，本论文通过文献调研和实验，进一步阐述了溶剂热法和氮化碳的性能以及它们的应用前景，并深入的认识和了解了溶剂热法和氮化碳。

第一章绪论

1.1氮化碳的理论研究及目前的研究现状

超硬材料的合成及其性质的研究，一直是凝聚态物理和材料科学研究的重点之一。

众所周知，自然界存在的材料中金刚石的硬度最高。

氮化碳材料在高硬度、耐磨损、低摩擦系数和导热性等方面与世界上最硬的天然物质金刚石十分接近，是一种新型超硬薄膜材料，可作为各种工业产品和特种机件的表面抗磨损涂层和抗高温高压层，使产品经久耐用，使用寿命延长。

并且氮化碳没有金刚石的缺点，金刚石涂层刀具在空气中使用超过700oC，金刚石薄膜即被氧化生成CO２而被烧蚀。

金刚石刀具加工铁基材料时，容易与铁发生化学反应，因而它不能加工钢材。

而将氮化碳这种超硬涂层应用于金属切削刀具，用来加工不锈钢、耐热钢、球墨铸铁、钛合金等难加工材料，可以大大提高刀具的耐用度和加工精度。

1985年，这个概念首次受到了理论物理学家的挑战。

美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以β-Si3N4的晶体结构为出发点，预言了新一代C-N化合物，即β-C3N4[1]。

在这一开创性的工作中，他利用具有一定普遍意义的经验公式，计算出这种

-C3N4的体弹性模量将超过金刚石。

这是人类第一次从理论上预言的一种具有超硬性能的新材料。

显然这种材料的制取及其性质的讨论对凝聚态物理研究、材料科学基础研究和实际应用都具有重大意义。

正因为如此，在随后的10年中，世界上许多著名的研究机构都投入了相当的人力和物力来集中攻关。

主要的制备方法包括：

热解有机化合物气相沉积法；

在氮氢混合气体中射频溅射石墨靶法；

直流磁控溅射沉积法，离子束辅助沉积法等等。

1988年Han等人[2]宣布获得了非晶态C-N膜。

1993年美国哈佛大学的Lieber小组[3]和1994年美国伯克利Lawrence实验室的Yu等人[4]分别用氮离子辅助激光蒸发石墨靶法和射频等离子体溅射法在获得的非晶C-N膜中发现含量小于5%的晶体颗粒。

1995年瑞典Sjostrom等人[5]发现了一种具有类似C60结构的C-N化合物。

1989年，Cohn和Liu依据已知的

-Si3N4的结构设计出

-C3N4的结构，即将

-Si3N4中Si原子换成C原子，其中碳原子采用sp3杂化，每个C原子与4个sp3杂化的N原子结合。

4个N原子分布在四面体的4个顶点。

每个N原子与3个C原子相连形成近似平面结构，每个晶胞有8个N原子，6个C原子。

经计算

-C3N4的弹性模量约为410Gpa，与金刚石的弹性模量接近。

弹性模量公式为：

对于

-C3N4，Nc取3.34,

取0～0.5，d取1.4

7

。

1996年，Teter和Hemley[6]对C3N4重新进行了计算，认为C3N4可能具有5种结构，即

相、

相、立方相、准立方相、和类石墨相。

这5种C3N4的结构如图1-1所示。

除了类石墨相外，其他4种都具有超硬材料的结构。

类石墨相、

相、立方相和准立方相C3N4的单晶胞体积依次减小，能量依次增大。

类石墨相密度最低，能量也最低，而立方晶相体积最小，密度最高，其能量也比类石墨相高0.13eV。

在这5种C3N4结构中，类石墨相最稳定。

在硬质相的C3N4结构中，

相最稳定。

-C3N4最早是由Guo和Goddard[7]利用量子力学团簇模型的力场计算方法，以六亚甲基四胺的结构为原型，对C3N4晶体结构模型进行优化后提出的。

-C3N4的晶体结构与

-Si3N4相似，具有ABAB……的晶面堆垛顺序，C原子和N原子以sp3方式成键，相互连接成四配位的四面体结构。

结构中的四面体单元通过顶角相连，在空间以强键结合形成三元、四元和六元环的共价键网络。

-C3N4晶体结构中的N原子不是对称的平面三角结构，而是更倾向于形成三角锥结构。

Guo和Goddard的计算结果表明，

-C3N4的结合能比

-C3N4高105.4kj·

mol-1，即

-C3N4比

-C3N4更稳定。

-C3N4是Liu和Cohen以

-Si3N4为原型，用C原子取代Si原子构建的，

-C3N4属于六方晶系，单个晶胞为六面体，其中含两个分子。

晶胞中每个sp3杂化的C原子与4个N原子相连，形成略有畸变的四面体结构；

每个sp2杂化的N原子与3个C原子相连，在平面上形成三角形。

每个CN4单元以顶角相连，在空间以强键结合形成三维共价网络。

图1-1C3N4结构（a）

相；

（b）

（c）立方相；

（d）准立方相；

（e）类石墨相[8]

β-C3N4是Liu和Cohen以

-Si3N4为原型，用C原子取代Si原子构建的，β-C3N4属于六方晶系，单个晶胞为六面体，其中含两个分子。

晶胞中每个sp3杂化的C原子与4个N原子相连，形