基于研究立方氮化硼單晶合成的觸媒結(jié)構(gòu)表征.pdf

1、立方氮化硼(cBN)是一種在機械、熱學、光學、化學等領(lǐng)域具備優(yōu)良性能的多功能新型材料，其硬度與導熱率接近于金剛石，具有很高的抗氧化能力、良好的化學穩(wěn)定性和反應(yīng)惰性，在加工黑色金屬材料時具有特殊的優(yōu)越性。因此，cBN單晶刀具不僅可以加工各種淬硬鋼、硬質(zhì)合金等高硬及耐磨材料，也可以用于鈦合金、純鎳、純鎢及其他材料的加工。與此同時，隨著cBN單晶磨具在汽車、航空航天、船舶、鋼鐵、機床、模具以及各種機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用，cBN單晶正成為大部分磨削

2、加工的首選磨料。前期表征發(fā)現(xiàn)，在快冷合成塊后的cBN單晶表面總是覆蓋著一層類似于熔融狀物質(zhì)，認為這層物質(zhì)是觸媒和六方氮化硼(hBN)在高溫高壓下形成的觸媒層，由于其與cBN單晶直接接觸，觸媒層的精細結(jié)構(gòu)必然能夠反映出cBN轉(zhuǎn)變及生長環(huán)境等有關(guān)信息，通過對其進行表征研究必然能夠為探索cBN單晶轉(zhuǎn)變機理提供重要的參考依據(jù)。本文利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和高分辨透射電鏡（HRTEM）對cBN單晶觸媒層的特征形貌和物相結(jié)

3、構(gòu)進行了分層表征，分析了觸媒層的變化規(guī)律來研究cBN單晶的轉(zhuǎn)變和生長過程;同時利用俄歇電子能譜(AES)和X射線光電子能譜(XPS)對cBN單晶觸媒層的電子結(jié)構(gòu)進行了表征，重點分析了B、N和sp2、sp3雜化態(tài)的分布規(guī)律;此外，利用電子能量損失譜(EELS)對觸媒層進行了進一步的分層表征，研究了B、N原子電子結(jié)構(gòu)的變化及sp2、sp3雜化態(tài)物相的分布，計算了不同層中B元素的相對含量，以期能夠為cBN單晶轉(zhuǎn)變機理提供證據(jù)。
　　本研

4、究利用XRD和HRTEM對cBN單晶觸媒層進行表征后發(fā)現(xiàn)，各層試樣均存在的主要物相結(jié)構(gòu)為cBN、hBN、Li3BN2，然而原始觸媒Li3N并不存在，cBN含量的分布由最靠近cBN單晶的內(nèi)層向外層依次減少。由此推斷，合成過程中Li3N通過與hBN發(fā)生共熔反應(yīng)轉(zhuǎn)變成Li3BN2。Li3BN2含量最高的是中間層，內(nèi)層含量次之，外層含量最少。結(jié)合各物相的分布規(guī)律認為:在高溫高壓條件下，由于Li3BN2的催化作用，觸媒層中熔融的hBN轉(zhuǎn)變?yōu)榻逃?/p>

5、序的cBN生長基元，并在相對含量高的內(nèi)層中逐漸形成晶核并生長成為大顆粒cBN單晶。利用XPS和AES對cBN單晶觸媒層的B、N元素進行了表征。結(jié)果表明，內(nèi)層的譜圖與純cBN很大程度上保持一致，說明其物相組成與純cBN單晶基本相同，而外層物相則與cBN標樣存在很大的差異，可以認為隨著距離cBN單晶越來越近，sp2雜化態(tài)的含量逐漸減少，sp3雜化態(tài)的含量逐漸增多，即hBN含量逐漸減少，而cBN含量逐漸增多。利用EELS對觸媒層進行了進一步的

6、分層表征，并使用雙窗口法對EELS譜圖中各層試樣B-sp3含量進行計算，得到內(nèi)層、中間層以及外層中B-sp3含量分別為79.53％、67.24％、63.47％;通過對各試樣譜圖進行對比，發(fā)現(xiàn)在外層結(jié)構(gòu)中，B-π*峰具有較高的強度，而在內(nèi)層結(jié)構(gòu)中，B-π*峰強度銳減，說明內(nèi)層中cBN含量最多，而外層中hBN含量最多，即從外層向內(nèi)層方向，BN的電子結(jié)構(gòu)已經(jīng)從sp2雜化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化。
　　本研究結(jié)合表征結(jié)果對Li3BN2的作用進