基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构和光学性质的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.

反应磁控溅射制备h-BN薄膜及其日盲紫外探测器

随着电子信息技术的飞速发展,具有更高抗干扰能力以及更高灵敏度的日盲紫外探测器引起了广泛关注。六方相氮化硼(h-BN)凭借其超宽带隙、高光吸收系数、高热导率及高击穿场强等优势成为日盲紫外探测器研究的热点材料。此外,h-BN良好的机械强度和光学透明性使其兼具柔性探测器的潜力。然而室温条件下制备的h-BN薄膜常具有较多缺陷,极大程度上限制了其柔性探测器的发展。本文在室温条件下采用反应磁控溅射,以B为生长源,在蓝宝石和Si衬底上实现了较高质量h-BN薄膜的制备,并在此薄膜的基础上制备了高性能日盲紫外探测器。3 V电压下,其探测器拥有极低的暗电流(0.07 pA)、较高的响应度(1.37μA/W)和探测率(2.73×10^(10)Jones)。本文的研究结果证实了室温制备h-BN薄膜及其日盲紫外探测器的可行性,为实现可在室温下工作的h-BN探测器的应用提供了参考。

h-BN在耐火材料和冶金用高温陶瓷中的应用进展

h-BN具有优异的抗热震性和化学稳定性,具有类石墨层状结构,在冶金、化工、电子等领域应用广泛。综述了h-BN在耐火材料中的研究应用情况,包括h-BN对耐火材料抗热震性、抗氧化性和抗渣性的改善,以及对耐火材料烧结性的影响;概述了热压烧结h-BN复合材料在钢铁冶金关键部件的应用及其力学性能、抗热震性、抗氧化性和抗钢液侵蚀性的改善措施;指出了h-BN在耐火材料及冶金用高温陶瓷应用中存在的问题。

h-BN型超晶格等离子体光子晶体能带特性研究

六方氮化硼(h-BN)晶格结构是一种类六方对称复式超晶格结构。具有h-BN晶格构型的光子晶体以其宽光子带隙特点受到国内外学者的广泛关注。本文利用不同尺度低压气体放电管与Al2O3介质棒周期性排列,构建了新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体,实现其空间结构和等离子体参数的动态调控。利用微波透射谱对比研究了h-BN型超晶格与简单三角晶格等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目。分析了放电电流、介质棒阵列数对不同频段光子带隙的影响,以及电磁波入射角度对电磁传输特性的影响。结果表明:等离子体的引入不仅能够形成新的光子带隙,而且可以选择性地使部分禁带位置发生移动;相对于简单三角晶格,h-BN型超晶格等离子体光子晶体呈现出更多光子带隙;Al2O3介质棒阵列数对等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目均具有重要影响。电磁波入射角度变化越大,电磁传输特性差别越显著,透射谱相关性越差。本文所设计的新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体为制作可调谐光子晶体提供了新的思路,在微波和太赫兹波控制领域具有潜在应用价值。

等离子喷涂Ni/h-BN复合涂层的制备及其摩擦学性能

Ni/h-BN涂层因其兼有抗氧化、耐腐蚀、保证涂层自身与基底之间一定结合强度作用的金属相,以及起润滑作用的非金属相两种的优点而在航空发动机领域有着广阔前景。采用大气等离子喷涂技术在不锈钢基材上制备了Ni/h-BN涂层。考察了喷涂工艺对涂层结构、力学性能及摩擦学性能的影响。结果表明:最佳喷涂工艺为电流500 A、电压55 V、主气60 L/min、送粉速度30 r/min、相应的喷涂功率为27 kW,在此基础上进一步研究了优化工艺参数条件时制备的Ni/h-BN涂层在不同载荷及滑动速度测试条件时的摩擦磨损性能,摩擦系数为0.60~0.70、磨损率为10^(-4)mm^(3)/(N·m)且随载荷增大而升高,以3 N载荷为界点,3 N后磨损率迅速减小。主要磨损机理为磨粒磨损和疲劳磨损。

激光熔覆(Ni60+NbC)+h-BN@Cu涂层组织与性能研究

目的通过添加铜包覆六方氮化硼(h-BN@Cu)粉末,改善激光熔覆Ni基NbC涂层的性能。方法采用激光熔覆技术,使用添加不同质量分数铜包覆六方氮化硼的镍基碳化铌复合粉末,在45钢基体表面沉积镍基复合涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)设备,研究h-BN@Cu对Ni60/NbC的激光熔覆镍基复合涂层微观结构的影响,利用显微硬度计和布鲁克UMT-2摩擦磨损试验机及白光干涉模块,测量熔覆层的显微硬度、摩擦磨损系数和磨痕宽度。结果熔覆层中的主相为Ni-Cr-Fe,除此之外还存在FeNi_(3)、CrB、M_(7)C_(3)、NbC、M_(23)C_(6)、Cr_(2)Nb等多种相。研究发现,添加的润滑相h-BN@Cu与硬质相NbC会发生部分分解,Nb原子和B原子进入熔池,与熔池中的Cr原子反应,生成CrB、Cr_(2)Nb等,这些金属间化合物具有硬度高、耐磨性好等特点。当h-BN@Cu的质量分数为10%时,熔覆层的显微硬度为650HV1.0,摩擦系数为0.4,磨痕宽度为0.406 mm。结论相比于不添加h-BN@Cu的Ni60/NbC熔覆层,添加h-BN@Cu的Ni60/NbC熔覆层的平均硬度略微下降,但熔覆层硬质相分布更加均匀,此时硬度仍为45钢基体硬度的3.1倍,摩擦系数降低约27%,磨痕宽度减小约21%。

石墨烯/h-BN面内异质结构热输运的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法探究石墨烯/h-BN面内异质结构界面热导的影响因素,讨论了单空位缺陷和Stone-Wales(SW)缺陷在近界面不同位置时的声子热输运活动。模拟结果证明,当h-BN一侧单空位缺陷远离界面,界面热导随之降低;SW缺陷则由共价键类型和位置决定其对界面热导的影响,由此揭示缺陷的类型和位置对界面热导带来的调节作用。此外,讨论了界面处存在单空位缺陷时,温度变化影响界面热导背后的潜在机理。本研究对微观尺度下的二维异质结构材料的热导性能提供理论参考和实验指导。

高压气-固燃烧合成h-BN-SiO_2和h-BN陶瓷材料的研究

采用高压气 -固燃烧合成法制备了密度为 1.79g/ cm3的 h- BN- Si O2 陶瓷和密度为 1.70 g/ cm3的 h- BN陶瓷 ,抗弯强度分别为 76 MPa和 42 .8MPa,硬度分别为 2 12 (HV)和 10 8(HV)。分析了氮气压力和初始孔隙率对反应物燃烧和产物的影响 ,结果发现在适当的初始孔隙率和氮气压力条件下 (对于 h- BN- Si O2 :48%≤ρ≤ 5 2 % ,75 MPa≤ P≤ 85 MPa;对于 h- BN:48%≤ ρ≤ 5 2 % ,95 MPa≤ P≤ 110 MPa)可以得到无裂纹的产物。产物中的片状 h- BN颗粒为各向同性 ,高的氮气压力导致 h- BN颗粒尺寸增大 ,同时发现 h- BN- Si O2 产物中 Si O2 以玻璃相的形式存在于晶相B7O的边缘 ,B7O的产生与原料 Si O2

含h-BN的钛合金激光熔覆自润滑耐磨涂层的摩擦学行为

为提高Ti6Al4V合金的摩擦学性能,采用激光熔覆技术在钛合金表面制备以Ti C、Ti B2、Cr B等为增强相、γ-Ni基固溶体为增韧相、h-BN为固体润滑相的自润滑耐磨复合涂层;分别在不同载荷下测试复合涂层和Ti6Al4V合金基体的干滑动磨损性能。结果表明,该复合涂层的摩擦因数及磨损率随着载荷的增大呈现先减小后略增大的趋势,并且摩擦因数和磨损率均比Ti6Al4V合金基体显著降低;在中等载荷下,复合涂层中的润滑颗粒被挤出磨损表面形成润滑膜,因而具有较好的自润滑耐磨性能,磨损后表面光滑平整。

h-BN/Si_3N_4陶瓷复合材料的断裂行为及断裂韧性

以亚微米级α-Si3N4和h-BN粉末为原料,Y2O3-Al2O3为助烧剂,采用热压烧结制备了h-BN/Si3N4陶瓷复合材料.研究3h-BN含量对h-BN/Si3N4陶瓷复合材料断裂韧性及其断裂行为的影响.结果表明:随着h-BN含量增加,柱状β-Si3N4晶粒的直径和长径比均下降;未加h-BN时,β-Si3N4陶瓷以沿晶断裂为主,添加体积含量为6%和8%的h-BN后,复合材料出现明显的沿晶和穿晶断裂,而添加10%h-BN的陶瓷复合材料则以沿晶断裂为主.随着h-BN含量增加,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的断裂韧性下降,但由于h-BN颗粒对裂纹扩展的影响,因而其下降程度不大.

高压气-固自蔓延高温合成h-BN-SiO_2陶瓷材料的研究

采用高压气-固自蔓延高温合成法制备了密度为179g／cm3的h－BN－SiO2陶瓷，其抗弯强度和硬度分别为76MPa和212（HV），分析了氮气压力和初始孔隙率对反应物点燃和产物的影响，结果发现在适当的初始孔隙率和氮气压力条件下可以得到没有裂纹的产物．产物中的片状h－BN颗粒为各向同性，高的氮气压力导致h－BN颗粒尺寸较大，同时发现产物中SiO2以玻璃相的形式存在于晶相B7O的边缘，B7O的产生与原料SiO2及其氧化物杂质有关．

TiB_2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷材料的设计与制备

以纳米TiB2和微米TiB2为基体,WC为增强相,h-BN为固体润滑剂,采用热压工艺制备了TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷材料,并测量了其力学性能。结果表明:与均质TiB2/WC/h-BN微米自润滑陶瓷材料相比,其抗弯强度、断裂韧性与硬度分别提高了15.8%、6.7%和11.1%。用压痕法测量得到材料内部的残余应力,其应力值呈明显的阶梯变化趋势,且关于中间层对称分布,材料表层存在残余压应力,可有效提高材料力学性能与使用性能。显微结构观察显示,TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷材料晶粒细小、均匀,纳米TiB2颗粒分布均匀,材料断裂模式为典型的穿晶/沿晶混合断裂模式。

h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的力学和摩擦性能

以亚微米级α-Si3N4,h-BN粉末为原料和Y2O3-Al2O3为助烧剂,采用热压烧结法制备了h-BN/Si3N4陶瓷复合材料.随着h-BN含量增加,柱状β-Si3N4晶粒的直径和长径比均减小,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的抗弯强度、断裂韧性略有下降,而弹性模量和硬度明显下降.添加10ψ/%h-BN后,弹性模量从293.5 GPa下降到236.6 GPa,同时硬度从14.5 GPa下降到10.9 GPa.随着h-BN含量增加,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的摩擦系数略有下降.

钛合金表面激光熔覆h-BN固体润滑涂层

目的优化钛合金激光熔覆固体润滑涂层的熔覆工艺参数,提高钛合金表面耐磨性能。方法采用Nd∶YAG激光器,分别在高功率和低功率条件下,在TC4钛合金表面制备h-BN固体自润滑涂层。观察分析熔覆陶瓷层的宏观形貌、物相组成、显微组织和硬度,采用摩擦磨损试验仪对熔覆层的摩擦学性能进行研究。结果低激光功率下,熔覆材料上浮流失严重,熔覆层的相成分主要是Ti N,Ti B,Ti B2等硬质相,硬度较高,存在裂纹。高激光功率下,基材的熔化稀释较好地抑制了润滑相h-BN的上浮,减少了溅射损失,发生了包晶反应,生成了单质金属Ti,熔覆层硬度低,但摩擦磨损试验表明,涂层中润滑相h-BN含量的增加使得形成了更好的润滑膜,降低了摩擦系数。结论在输出电流400 A,脉宽5 ms,频率12Hz,扫描速度120 mm/min,搭接率50%∽60%的条件下进行激光熔覆,所得熔覆层的表面状态平整,耐摩擦性能最好。

二维h-BN材料p型可掺杂性研究

掺杂对提高半导体材料的载流子浓度,改善半导体器件性能具有关键意义。理论上,通过计算带电缺陷形成能和电荷转移能级可以预测半导体材料中的p型掺杂是否容易实现。本文基于广义梯度近似理论,利用第一性原理方法,结合二维带电缺陷校正技术,并使用维也纳第一性原理计算软件(VASP)系统计算了二维六方氮化硼(h-BN)中的几种掺杂体系,包括X B体系(X=Be,Mg,Ca,Sr)和Y N体系(Y=C,Si,Ge)共7种潜在的p型掺杂体系的缺陷性质。计算结果表明,SiN缺陷的受主离子化能为0.8 eV,表现为准浅能级受主,而其它6种缺陷均为深能级受主,无法为h-BN提供有效p型载流子。SiN具有较高的缺陷形成能,因而只能靠离子注入等非平衡方式掺入到h-BN中。

Al_2O_3/h-BN自润滑复相陶瓷烧成工艺的探讨

通过探讨烧成方法和烧成温度对Al2O3/h-BN自润滑复相陶瓷物相组成、显微结构的影响,结果表明:常压烧成时,材料很不致密;热压烧成时由于压力和液相的共同作用,可以破坏片状h-BN长大时形成的卡片房式结构,促使片状h-BN定向排列,缩小材料的孔隙率,提高了材料的致密度。由于h-BN的卡片房式结构的阻碍,Al2O3/h-BN自润滑复相陶瓷材料较难烧结致密,需要高温热压烧成,烧成温度初步确定在1700～1800℃之间。

h-BN-Cu夹层化合物的量子化学研究

本文用量子化学从头算方法 ,在 6 -31G 基组水平上对h -BN -Cu进行了几何全优化 ,得到了与实验一致的结构参数 .然后利用优化几何 ,在 3-2 1G 基组水平上对h-BN -Cu夹层化合物的结构单元作了单点计算 .从层间距 ,原子净电荷 ,稳定化能 ,Mulliken重叠布居的角度定量分析了h -BN -Cu夹层化合物的结构特点 ,结果表明h -BN -Cu夹层化合物中Cu与h -BN间键合很弱 ,在外界作用下Cu很容易离去 。

h-BN含量对模压技术制备C/C-BN复合材料摩擦性能的影响

以h-BN、石墨、短切炭纤维和树脂等为原料,采用模压技术＋浸渍/炭化技术制备4种C/C-BN复合材料,并在M2000型试验相同测试其与40Cr钢配副时的滑动摩擦性能。结果表明：h-BN质量分数分别为3.4%和20.7%的材料的抗压强度较高,其摩擦因数随载荷增加均先增加后降低;h-BN为6.8%的材料的摩擦因数降幅最大,达0.049;而h-BN为10.1%的材料的抗压强度最低,其摩擦因数呈现波浪状起伏。随载荷增加,h-BN为3.4%和20.7%的材料的体积磨损增幅较低;而h-BN为6.8%的材料的体积磨损增幅最大,达2.41 mm3。随着时间的延长,4种材料的摩擦因数均逐渐稳定。SEM观察表明：h-BN为3.4%的材料的摩擦表面在中低载荷下较完整致密、但有长度与石墨微晶尺寸接近（10~50μm）的网络状裂纹,摩擦表面在高载荷下则较粗糙;而h-BN为10.1%的材料的摩擦表面均较粗糙、不完整。

h-BN陶瓷的制备与抗冲击性能研究

采用硼粉在流通氮气气氛下反应烧结制备了六方氮化硼(h-BN)陶瓷。采用分离式霍布金森压杆对该材料在0.8×10^3-1.6×10^3s^-1高应变率下的动态压缩响应进行了研究。研究结果表明,随着应变速率的增加,h-BN陶瓷的动态破坏强度和应变均不断增加;h-BN陶瓷的动态加载模式分为非弹性变形区、快速加载区和破坏区,且h-BN陶瓷的动态失效模式与其应变率有关。

Ni60/h-BN含量对激光熔覆钛基复合涂层组织及性能的影响

目的提高TC4合金的硬度与耐磨性。方法利用RFL-C1000锐科光纤激光器在TC4合金表面制备钛基复合涂层,通过SEM、XRD、EDS、显微硬度计、摩擦磨损试验机对熔覆层的宏观形貌、微观组织、显微硬度以及摩擦磨损性能进行观察及测试。结果当Ni60/h-BN的添加量为25%时,熔覆层表面平整度最好,且与基体呈现出良好的冶金结合;当Ni60/h-BN的添加量为5%时,熔覆层物相主要由Ti2N0.3、TiC和基底α-Ti组成;当Ni60/h-BN的添加量为15%时,Ti2N0.3、α-Ti和TiC的含量减少,Ti2Ni的含量增加;当Ni60/h-BN的添加量为25%时,Ti2Ni、TiNi、TiN、Ti2N0.3、TiB、TiC和α-Ti均匀分布在熔覆层中,此时熔覆层的硬度为997HV0.5,约为TC4基体硬度(332HV0.5)的3倍。TC4基体主要发生了磨粒磨损,熔覆层主要发生了粘着磨损。当Ni60/h-BN添加量为25%时,磨损形貌最好,磨损量为0.6 mg,摩擦系数稳定在0.51~0.52之间。结论当Ni60/h-BN的添加量为25%时,熔覆层组织均匀致密,硬度与耐磨性能较基体有了显著提高。