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氮化硼纳米管性质

2018/06/19108 作者:佚名
导读: 机械性质BNNTs的力学性能已经通过热振动方法得到了较好的实验验证。结果发现单根多壁 BNNTs 的杨氏模量约为 1.18TPa,约为块状h-BN 平面杨氏模量的 14 倍,同时也可能是已知绝缘纤维材料中最高的。该实验结果也与利用紧束方法理论计算值相符合。但是最近发现,通过原位折弯实验后的单根多壁BNNTs的杨氏模量比理论值低了0.5~0.6TPa,这很可能是由于多壁BNNTs中存在多边截断

机械性质

BNNTs的力学性能已经通过热振动方法得到了较好的实验验证。结果发现单根多壁 BNNTs 的杨氏模量约为 1.18TPa,约为块状h-BN 平面杨氏模量的 14 倍,同时也可能是已知绝缘纤维材料中最高的。该实验结果也与利用紧束方法理论计算值相符合。但是最近发现,通过原位折弯实验后的单根多壁BNNTs的杨氏模量比理论值低了0.5~0.6TPa,这很可能是由于多壁BNNTs中存在多边截断面形貌所致。Golberg 等研究了 BNNTs 的弹性性质。结果表明,在经过几十次的反复严重变形,折弯角度约70°后,BNNTs 管壳出现了严重的弯曲和变形,但是,当负载释放后明显发现, BNNTs又恢复了原来的完美形貌。 因此, BNNTs可以像CNTs一样用于制造刀具和模具, 还可作为纳米尺度的电子器件、纳米结构的陶瓷、高强度纤维材料。

热学性质

现在已经报道了许多计算方法,如束缚模型、密度泛函理论和电子云模型等去研究 BNNTs 的热学性质。理论研究表明,BNNTs 的声子传播方式与 CNTs 很相似,其理论热导率与 CNTs 差不多。通过在室温下测定外直径有30~40nm的 BNNTs 的热导率发现, BNNTs 具有一个很不错的热导率值 K(350WmK-1)。同时发现 BNNTs 的热导率大小很依赖于 B 同位素的无序状态,在室温下 K 值可以增加 50%,这可能是已知材料中热导率增加最大的一种物质。最近 Zettl 研究组报道BNNTs 在其表面可以大量非均匀加载重金属分子,如 C9H16Pt,此种分子具有非对称轴热传导性能,并且在质量密度减少的方向能产生很大的热流。因此,如果 BNNTs 的热整流器能够制造出来,将在纳米级量热器,微电子处理器,冰箱以及节能建筑等方面具有很大的发展潜力。

BNNTs的另外一个重要的热学性质就是其优异的高温抗氧化性质。 该方面的系统研究首次由 Golberg 等报道,几年后 Chen等也进行了相关的研究。 最近研究表明在1500℃制备的高纯多壁BNNTs在1100℃左右还能在空气中保持稳定性,然而在500℃时,采用 CVD法制备的CNTs 就已经开始氧化。

总的来说,BNNTs 与CNTs 相比,前者具有更优异的热化学稳定性质。由于 BNNTs 可以在高温和化学活性的恶劣环境中使用,所以其在纳米管基设备中的作用是很完美的。BNNTs 的热稳定性质和化学惰性也可能在纳米管基的设备领域具有一个重要的应用价值,如平板显示器的场发射器件、扫描隧道电子显微镜(STM)和原子力扫描电子显微镜(AFM)顶端发射部分等。

电学性质

虽然 BNNTs 与 CNTs 的结构非常相似,但是它们在电学方面的性质具有很大的差异。理论计算表明BNNTs 不论其直径、管壁层数和手性如何变化,都有着大体一致的带隙宽度(约为 5.5eV),呈现出半导体性质,而CNTs 带隙宽度会很敏感地随着纳米管的直径和手性发生变化,表现出从金属到半导体的性质。由于其较宽的禁带宽度,将其作为场效应晶体管的传导渠道,结果表明 BNNTs 只允许通过价带运输。关于 BNNTs 能带的另外一个重要特性就是掺杂碳后所表现出来的优异电学性质。实验研究表明,C 掺杂的多壁 BNNTs 管束的场发射电流高达约2.5μA,这与单独的 CNTs 产生的场发射电流(约2.1μA)非常接近。另外,与 CNTs 相比,掺杂碳后的 BNNTs 具有更加稳定的耐高温和化学稳定性质。这为 C 掺杂的 BNNTs 在平板显示器,STM 和AFM的顶端发射部分应用方面开辟了一个新的天地。

磁学性质

在许多纯的石墨类的纳米体系中,如富勒烯、纳米管都表现出比较弱的磁性。在锯齿型的单层 BNNTs 中,一个 B 原子和一个N 原子取代两个 C原子。 研究发现, 在纳米管里面出现了添加物的自旋极化现象,Kang[证实了具有孔的锯齿型 BNNTs(由于 1 或 2 个 B 原子被移除)显示有磁性。BNNTs 也可以包裹过渡金属氧化物如Fe3O4 颗粒(小于3nm)或过渡金属如 Ni、Fe,BNNTs 表现出了较弱的超顺磁性,可应用于磁制冷机。

其它性质

还有一些 BNNTs 的物理化学性质在上面还没有提到。 例如, BNNTs的润湿接触角比 CNTs 还略大一点,总的表面张力可以与 CNTs 和未经处理的石墨纤维相媲美;BNNTs 还表现出强烈的二阶非线性光学行为,由此产生的二次谐波和线性光电系数值相比于 CNTs 的这些性质高出30 倍,BNNTs 在光学和光电应用领域前景广阔。目前,文献普遍都认为 BNNTs是紫外光应用中的理想光学器件; 高压(在几十GPa 范围内)拉曼光谱显示 BNNTs 具有的结构破坏特性,同位素浓缩,BNNTs表面铁蛋白的固定性质在潜在的医疗和纳米生物材料应用等。

*文章为作者独立观点,不代表造价通立场,除来源是“造价通”外。
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