氮化硼纳米管表面结构设计及其对环氧复合电介质性能调控机理

向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段,其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管(BNNTs),因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注.然而,表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用.基于此,本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅(mSiO_(2)),并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法,优化BNNTs表面特性.结果表明,通过表面结构设计及功能化,可显著改善BNNTs的分散特性,提升其与环氧树脂的界面作用.以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升,并兼具较低的介电常数与损耗.此外,mSiO_(2)独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱,有效阻碍了电子的迁移,进而提高复合电介质的电气强度.本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路,亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑.

氮化硼纳米管与芳纶纳米纤维复合制备高导热复合绝缘纸

随着现代电气设备向小型化、高度集成化和多功能化方向发展,大量的热量积累导致电气设备的绝缘失效。为了开发一种在低含量填料下(质量分数<50%)仍能实现高导热性能的复合材料,满足当前电气设备对散热的严格要求,本文合成了一种由芳纶纳米纤维和羟基化氮化硼纳米管(BNNT-OH)组成的复合绝缘纸,并研究了BNNT-OH含量对复合绝缘纸性能的影响。结果表明:当氮化硼纳米管质量分数为20%时,复合绝缘纸的热导率高达15.92 W/(m·K)。优异的导热性能归因于氮化硼纳米管固有的高热导率,以及羟基化氮化硼纳米管与芳纶纳米纤维之间的强相互作用降低了界面热阻。

氮化硼纳米管的研究进展

综述了氮化硼 (BN)纳米管的最新研究进展。介绍了BN纳米管的结构特征和制备技术 ,重点介绍了化学制备方法及相关反应机理。BN纳米管的能带宽隙为 5 5eV ,与直径、螺旋性、管壁层数等无关 ,这一点与碳纳米管不同。BN纳米管具有高的化学稳定性和好的耐热性 ,可用于合成一些BN纳米复合材料。BN纳米管的低密度及多孔结构使其成为一种潜在的储氢材料。将BN纳米管的理论与实际应用结合起来开展研究 ,特别是围绕低成本、高产量、高纯度的可控制备及新性能应用进行探索 。

氮化硼纳米管热输运性能的分子动力学模拟

采用基于声子散射理论的Boltzmann-Peierls声子传输方程(BTE)和非平衡态分子动力学模拟(NEMD)方法研究了氮化硼纳米管(BNNT)的热输运性能.分析了BNNT的热力耦合效应,通过BTE与NEMD两种方法相结合,分析了温度和长度对BNNT热输运性能的影响,并应用量子修正扩大了NEMD的研究范围.结果表明:随着拉伸或压缩应变的增加,BNNT热输运性能均呈降低的趋势.通过计算声子态密度(PDOS)在理论上分析了以上结果,发现在拉伸状态下,声子模式的变化是决定BNNT热输运性能变化的主要因素;在压缩状态下,热导率变化是由于模型发生明显的屈曲变形引起的.在低温段,BNNT的热输运性能受量子效应影响最初有一个线性增加的过程,当温度超过一定值时,其开始显著地降低;当BNNT长度小于120nm时,随着长度的增加,其弹道性能逐渐减弱,但仍主要体现为弹道特征,其热导率(κ)与长度(L)基本满足κ∝Lα这一关系.

氮化硼纳米管的研究进展

本文较全面地综述了氮化硼 (BN)纳米管研究的最新进展 ,详细讨论了BN纳米管的合成、结构、表征、形成机理及应用等方面的研究现状 。

氧气辅助法制备氮化硼纳米管

将无定形硼粉于流动氨气(50 mL/min)和不同氧气流量(10、15、20、40 mL/min)的混合气氛下高温(1300℃)处理后,在不锈钢基片上收集到白色棉花状产物。研究结果表明,微量的氧气可将硼粉氧化成气态的B2O2中间体,为BN纳米管的生长提供活性较高的硼源。当氧气流量适中时,所得纳米管的平均直径为80 nm,长度可达几百微米。氧气流量对BN纳米管的直径和产量影响较大,纳米管直径随着氧气流量的增大而增大,产量则出现先升高后降低的趋势。氮化硼纳米管的生长机理属于气–液–固模型。

表面有丝状吸附物的氮化硼纳米管的制备(英文)

采用简单工艺,即:将块体氧化硼(B2O3)在氮气气氛中球磨后,在1200℃、流动的氨气中热处理,成功合成了表面有大量丝状吸附物的BN纳米管。纳米管为六方BN晶体且呈竹节形貌,其直径为80～120nm,长度近1μm。纳米管表面丝状的吸附层也是六方BN晶体,细丝的长度为100nm左右,直径不到10nm。

锂掺杂单壁氮化硼纳米管阵列储氢的理论研究

采用巨正则蒙特卡罗方法,研究锂掺杂对单壁氮化硼纳米管阵列(SWBNNTA-Single Walled Boron Nitride Nanotube Array)物理吸附储氢的影响.揭示锂掺杂是提高SWBNNTA储氢能力的有效手段,并给出最佳掺杂方案.计算结果表明,选择最佳的掺杂方案,并合理控制SWBNNTA的结构与尺寸,可使锂掺杂SWBNNTA在常温、中等压强下的物理吸附储氢量达到和超过美国能源部提出的2015年研究目标.

钴掺杂氮化硼纳米管吸附氯酚类污染物的理论研究

氯酚(CPs)类污染物是形成持久性有机污染物二噁英的先驱物,具有较强的致畸、致癌和致突变性.为探索去除或检测这类污染物的新型材料,应用密度泛函理论研究了(8,0)单壁氮化硼纳米管(BNNT)和Co掺杂的(8,0)单壁氮化硼纳米管(Co-BNNT)对2-氯酚(2-CP)、2,4,6-三氯酚(TCP)、五氯酚(PCP)的吸附行为及作用机制.结果表明,与BNNT相比,Co-BNNT费米能级附近出现杂化态,带隙明显减小.BNNT对2-CP、TCP和PCP呈现物理吸附,而Co-BNNT对三种氯酚则是化学吸附,纳米管与分子间发生了明显的电荷转移,体系态密度在费米能级附近发生了明显变化.Co原子掺杂明显增强了BNNT的电子输运能力,提高了纳米管对氯酚的吸附活性.Co-BNNT有望是去除或检测氯酚类污染物的潜在资源.

化学气相沉积法制备氮化硼纳米管的研究进展:反应装置、气源材料、催化剂

氮化硼纳米管(BNNTs)具有优良的耐高温、抗氧化、防辐射、绝缘和导热性能,因此,在航空航天、辐射屏蔽、热界面材料以及深紫外发射等领域具有潜在的应用前景。然而,高品质BNNTs的可控制备和批量生产仍然是学术和工业界的重大挑战。在BNNTs的众多制备方法中,化学气相沉积法(CVD)是最有潜力实现其可控制备的方法之一。但是,科学家们对于CVD法制备BNNTs的催化机理和影响因素尚未形成共识。鉴于此,文章从反应装置、氮源、硼源和催化剂4个方面对CVD法制备BNNTs进行了综述,并系统总结了相应的规律。在此基础上,分析了目前BNNTs可控制备中存在的问题,并对CVD法在BNNTs可控制备中的作用进行了展望,以期对今后BNNTs的制备起到借鉴作用。

铁纳米线-氮化硼纳米管复合结构的形成及其压缩性质的模拟研究

通过分子动力学理论计算方法对铁纳米线(FeNW)在氮化硼纳米管(BNNT)内的形成及其复合结构(FeNW@BNNT)的压缩性质进行了模拟研究。通过对充以铁原子的BN(5,5)和BN(8,8)纳米管的进行结构优化可以发现,在BN(5,5)纳米管轴线上能生成稳定的一维FeNW,而BN(8,8)纳米管内形成呈螺旋状的三束绞缠的FeNW。其径向分布函数表明在BN(5,5)内生成的FeNW具有良好的一维性且原子分布均匀等特征。通过对BN(5,5)与FeNW@BN(5,5)轴向压缩及其能量分析,可以发现它们虽具有相同屈曲应变,但屈曲前FeNW@BN(5,5)的弹性系数稍大于BN(5,5),且FeNW@BN(5,5)抗压屈曲能力也明显较强。

铜纳米线填充氮化硼纳米管结构和电子特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了不同线径锯齿型氮化硼纳米管包裹五边形Cu纳米线复合系统的结构和电子特性。复合系统的圆筒状结构在弛豫后保持不变。计算结果表明,管-线间距约为0.34nm的CuNW@(14,0)复合系统的结构最稳定,且在费米能级附近处的能带结构为内部Cu纳米线和外部BN纳米管能带的叠加,同时Cu纳米线填充前后的量子电导不变。电荷密度分析表明,CuNW@(14,0)复合系统中传导电子仅分布在内部Cu纳米线区域,外部氮化硼纳米管相当于绝缘电缆壳。因此,该类型的纳米线缆复合系统有望应用于要求稳定传输电荷的纳机电系统和超大规模集成电路中。

单壁氮化硼纳米管的结构、对称性和晶格动力学

本文分析了氮化硼纳米管的结构对称性,并对其晶格振动模的对称性进行了分类。计算了单壁氮化硼纳米管的声子色散关系,给出了扶手椅管和锯齿管拉曼和红外活性模的频率随管径的变化规律。

氮化硼纳米管的研究现状

详细介绍了氮化硼纳米管自发现以来的研究情况,阐述了氮化硼纳米管的结构与性质,对目前已有的合成方法进行了归类与总结,同时分析了各自的优缺点,概述了其应用研究的进展情况,并提出了今后研究和应用的发展方向.

氮化硼纳米管制备技术研究进展

氮化硼纳米管是类似于碳纳米管的一维纳米材料,由于其双原子结构特征,硼源难以控制,以及催化剂效率低等多种因素,致使它的合成技术至今尚未成熟。综述了氮化硼纳米管的各种制备技术,重点介绍可能实现大批量制备氮化硼纳米管的方法,主要包括化学气相沉积法与球磨法,分析了其优缺点。在此基础上,对今后批量制备氮化硼纳米管的方法提出了设想与展望。

碳掺杂氮化硼纳米管吸附气体小分子的DFT计算

采用密度泛函理论研究了氮化硼纳米管(Boron nitride nanotubes,BNNTs)及碳掺杂氮化硼纳米管对O2、NO2、F2气体小分子的气敏特性。计算了三种气体小分子吸附在氮化硼纳米管及碳掺杂氮化硼纳米管表面不同位置时的吸附能、相互作用距离,同时还计算得到了气体分子分别吸附在碳掺杂BNNTs不同位置时的电子态密度。研究结果表明,氮化硼纳米管对O2、NO2、F2气体分子比较敏感,碳掺杂氮化硼纳米管可以明显地改变其表面的化学反应活性,增强气体分子与氮化硼纳米管之间的相互作用。

碳纳米管与氮化硼纳米管内铝纳米线的形成及其复合结构抗压特性的模拟研究

采用分子动力学方法分别对管内充以铝原子碳纳米管(CNT)与氮化硼纳米管(BNNT)进行了结构性能研究.优化结果显示:(5,5)CNT和BNNT内均能形成一束一维铝纳米线(AlNW);(10,10)管内形成的是多束AlNW,其中(10,10)CNT内形成的是11束高度轴对称一维AlNW,而(10,10)BNNT内形成的是5束螺旋结构形状的AlNW.进一步分析表明:CNT内的AlNW具有比BNNT内的AlNW较大的原子分布线密度,但大管径(10,10)型BNNT内的螺旋状AlNW可以具有比相同管径CNT内纳米线更高的结晶性.通过对其轴向压缩模拟及其能量分析,可以发现AlNW@CNT复合结构的屈曲应变明显大于AlNW@BNNT,且同类型复合结构,屈曲应变随管径增大而减小,故较小管径的AlNW@CNT具有更强轴向抗压能力.能量分析结果表明vanderWaals能是维系复合纳米管结构稳定,增大抗压能力的主要原因.

单壁氮化硼纳米管压缩特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,分别模拟完好的和含有缺陷的(7,7)扶手椅型氮化硼纳米管的轴向压缩过程.原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述.为验证结果的可靠性,同时针对(7,7)扶手椅型碳纳米管进行对比计算.结果表明,氮化硼纳米管的压缩失效模式同碳纳米管相同,均表现为管壁的局部屈曲.发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关.然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响.另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能.与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感.

温度、应变率和空位缺陷对氮化硼纳米管压缩性能的影响

采用分子动力学方法,分别模拟了完好的和含有缺陷的氮化硼纳米管的轴向压缩过程.原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述.结果表明,同尺寸的锯齿型氮化硼纳米管的临界轴向压缩强度高于扶手型氮化硼纳米管,这与碳纳米管的研究结果一致.发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关.然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响.另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能.与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感.

氮化硼纳米管阵列储氢的计算机模拟

采用巨正则蒙特卡罗方法模拟常温、中等压强下单壁氮化硼纳米管阵列的物理吸附储氢,重点研究压强、纳米管阵列的管径和管间距对单壁氮化硼纳米管阵列物理吸附储氢的影响.计算结果表明,氮化硼纳米管阵列的储氢性能明显优于碳纳米管阵列,在常温和中等压强下的物理吸附储氢量(质量百分数)可以达到和超过美国能源部提出的商业标准.并给出相应的理论解释.