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當(dāng)?shù)鹩錾辖饘?,防腐、脫模、催化等?yīng)用也很耀眼!
信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-08-08 16:37:05 | 瀏覽量:66309
氮化硼具有良好的電絕緣性、機(jī)械穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性。不僅在化學(xué)能和電子方面被廣泛應(yīng)用,在金屬催化、防腐、脫模等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。極端條件的理想金屬防腐材料近代工業(yè)發(fā)展過程中,每年由于金屬腐蝕造成的資源浪費(fèi)十分巨大,因此金屬防腐問題一直是人們關(guān)注的…
近代工業(yè)發(fā)展過程中,每年由于金屬腐蝕造成的資源浪費(fèi)十分巨大,因此金屬防腐問題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。在眾多防腐技術(shù)中,涂層保護(hù)因其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性成為最常用的防腐技術(shù)之一。由于工業(yè)生產(chǎn)過程中導(dǎo)致腐蝕的誘因往往不止一種,因此防腐涂層往往需要多種材料配合使用,以達(dá)到良好的防腐效果。
在氮化硼防腐領(lǐng)域的相關(guān)研究中,研究人員通過可溶性導(dǎo)電聚合物(2-丁基苯胺)(PBA)將層疊的六方氮化硼剝離制備少層的氮化硼納米片,再將其加入環(huán)氧涂層中,以此得到防腐性能增強(qiáng)的復(fù)合納米涂層。這種方法制備的復(fù)合納米涂層其防腐性能得到了顯著提高,其中導(dǎo)電聚合物PBA不僅用于剝片,同時(shí)也作為緩蝕劑,通過鈍化金屬來延緩腐蝕。
涂層中分散的氮化硼相當(dāng)于延長(zhǎng)了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑,即有效阻隔了水分子、離子、氧的滲入,延緩腐蝕,同時(shí),可溶性的導(dǎo)電聚合物(2-丁基苯胺)(PBA)可使金屬基板表面形成一層致密的鈍化膜,有效阻隔金屬表面的腐蝕,這是一種“阻隔與鈍化協(xié)同效應(yīng)”的防腐機(jī)制,證明了氮化硼在金屬防腐領(lǐng)域能得到有效利用。
在某些特殊環(huán)境下,設(shè)備發(fā)熱量高,防腐涂層除了需要具有優(yōu)異的防腐性能外,還需要良好的散熱能力。而氮化硼具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性,尤其是在高溫環(huán)境下其導(dǎo)熱性無明顯變化。因此也可以作為高導(dǎo)熱防腐涂料的理想材料選擇。
六方氮化硼涂層是惰性無機(jī)高溫潤(rùn)滑材料,不粘結(jié),不滲入熔融金屬液,能完全保護(hù)與熔融鋁、鎂、鋅合金和熔渣直接接觸的耐火材料或陶瓷容器的表面,防止金屬腐蝕,大大延長(zhǎng)使用壽命。而我們知道鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和較好的高溫力學(xué)性能,是航空、航海、化工和生物工業(yè)的重要材料之一。
但鈦合金耐磨性較差,用作摩擦件時(shí),易磨損而造成部件失效。為了提高鈦合金的耐磨性,需要進(jìn)行表面處理。提高鈦合金耐磨性的方法有很多:化學(xué)熱處理可以通過在鈦合金表面滲碳、氮化形成TiC、TiN等硬化層來提高耐磨性,但需要對(duì)工件進(jìn)行整體加熱并長(zhǎng)時(shí)間保持,這會(huì)影響基體材料的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響其力學(xué)性能;由于工件變形引起的熱應(yīng)力,電鍍、化學(xué)鍍可在鈦合金表面制備Cr、Ni-P等耐磨層,但電鍍、化學(xué)鍍對(duì)環(huán)境污染大,正在被取代通過其他進(jìn)程。
于是市場(chǎng)上出現(xiàn)了二元或多元氮化物層,其中六方氮化硼涂層的應(yīng)用最為突出,六方氮化硼具有良好的減摩效果,通過激光熔覆處理工藝對(duì)鈦合金基體表面制備金屬/六方硼氮化物復(fù)合涂層,實(shí)現(xiàn)與鈦合金基體冶金結(jié)合的復(fù)合涂層。
氮化硼的摩擦系數(shù)非常低,自潤(rùn)滑性能優(yōu)異,甚至在高溫下也具有良好的自潤(rùn)滑能力,是重要的減摩自潤(rùn)滑涂層材料,可被應(yīng)用于1000℃以上高溫可磨耗涂層的軟質(zhì)潤(rùn)滑組分。氮化硼涂料可用作為脫模(防粘)劑,用于陶瓷的熱壓成形和玻璃成形,以及金屬澆鑄嘴模的涂覆,使其具有良好的潤(rùn)滑性和防粘(脫模)性,還可減少或阻止基襯與熔體之間的化學(xué)反應(yīng),從而延長(zhǎng)其使用壽命。
由于氮化硼可以抵御核反應(yīng)堆的中子輻射,在惰性氣氛中分解溫度高達(dá)2500℃,在極端條件下表現(xiàn)出的優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,高溫下具有良好的潤(rùn)滑性能,是一種理想的脫模劑。因此氮化硼脫模劑在金屬鑄造熔煉焊接中也多有應(yīng)用,可以用于超塑性成形的工藝。具體如下:
氮化硼可以制成氮化硼分離環(huán)用于鋼鐵的水平連鑄。六方氮化硼在1800℃對(duì)碳和一氧化碳是非常穩(wěn)定的,也不受鋼鐵中溶融的玻璃、硅、硼、非氧化物爐渣、熔鹽(硼砂、冰晶石)的腐蝕。
氮化硼可以制成復(fù)合殼層用于鈦金屬的鑄造。鈦金屬的化學(xué)穩(wěn)定性差,在鍛造的高溫劇烈變形時(shí),金屬流動(dòng)產(chǎn)生新鮮表面極容易發(fā)生粘模,造成鍛件和模具同時(shí)報(bào)廢。氮化硼脫模劑復(fù)合殼層涂覆于模具表面可避免鈦金屬與模具之間直接接觸。
氮化硼還可用于焊接和爐內(nèi)釬焊工藝,能保護(hù)工件表面避免因焊渣的飛濺遭受破壞,在金屬焊接過程中也可以起到保護(hù)作用。
獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了h-BN優(yōu)異的化學(xué)/熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱性以及電學(xué)性質(zhì),在很多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。其中用作金屬的催化劑就是其中之一。
許多研究表明,規(guī)整的h-BN面內(nèi)與金屬的作用很弱,相反金屬更傾向于分散在h-BN片的邊緣或者顆粒的晶界處,這說明B/N缺陷、含氧缺陷、表面官能團(tuán)等位點(diǎn)可以錨定金屬活性組分。為了創(chuàng)造更多類似的位點(diǎn),利用不同的合成方法,如化學(xué)剝離、固相合成、表面官能化等,可以得到不同尺度和維度的h-BN基納米材料。典型的體系包括二維的納米片(h-BNNS)和三維的多孔材料(porous-BN),它們都具有豐富的邊緣結(jié)構(gòu)和表面缺陷,以及高的比表面積。
在作為載體負(fù)載金屬催化劑時(shí),可以得到超細(xì)的金屬納米粒子,甚至是金屬單原子。由于邊緣缺陷或者表面官能團(tuán)的錨定作用,可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定金屬催化劑的結(jié)構(gòu)和尺寸大小。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明,Metal/h-BN界面處的電子轉(zhuǎn)移或者金屬和B/N原子之間的軌道耦合改變了金屬活性組分的電子性質(zhì),最終改善了金屬催化劑的性能。相比較傳統(tǒng)的氧化物載體,多變可調(diào)的結(jié)構(gòu)以及良好的機(jī)械性能使得h-BN成為一種優(yōu)良的備選催化劑載體材料。
在氧化性氣氛中,Metal/h-BN界面處的h-BN被刻蝕分解,生成了含硼的氧化物并遷移到金屬納米粒子表面,形成多孔的包裹層。相同的刻蝕-包裹現(xiàn)象在多個(gè)Metal/h-BN體系中被證實(shí),比如金屬鎳、鉑、鐵、鈷等。硼氧化物包裹層的存在改變了金屬表面的吸附性質(zhì)和納米粒子的穩(wěn)定性,不僅不會(huì)阻礙反應(yīng)物分子擴(kuò)散和吸附到金屬表面,甚至也可以參與催化反應(yīng)循環(huán),增加了二氧化碳與甲烷干重整反應(yīng)的穩(wěn)定性和一氧化碳氧化反應(yīng)的活性。
除了作為載體以外,二維的h-BN薄層也被用來覆蓋在金屬催化劑表面,形成納米尺度的反應(yīng)器來調(diào)節(jié)催化反應(yīng)過程。單層的h-BN通過弱的范德華力結(jié)合在金屬表面,氣體小分子如CO和H2等可以插層并吸附在金屬表面,并發(fā)生催化反應(yīng)。基于幾何限制和電子修飾作用,微納尺度反應(yīng)空間內(nèi)的分子吸附和催化反應(yīng)都被一定程度調(diào)制,這就是二維h-BN覆蓋層下的限域催化現(xiàn)象。
設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的h-BN包裹金屬納米催化劑,可以利用限域效應(yīng)優(yōu)化催化性能。比如,通過控制包裹層數(shù)來調(diào)節(jié)不同大小分子的吸附能力,進(jìn)一步影響不同反應(yīng)的性能或者不同產(chǎn)物的選擇性,增加催化劑的熱穩(wěn)定性。限域催化原理不僅僅在氣相反應(yīng)得到驗(yàn)證,還適用于基于液態(tài)電解液的電催化反應(yīng)過程。相比于其它的覆蓋層助劑,h-BN具有穩(wěn)定性高和結(jié)構(gòu)多樣性的優(yōu)勢(shì)。
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2024-10-15 09:49:51
常見的六方相氮化硼(hBN)因化學(xué)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好以及表面無懸掛鍵原子級(jí)平整等特點(diǎn),被視為理想的寬帶隙二維介質(zhì)材料。菱方相氮化硼(rBN)可以保持h…
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2024-10-07 09:23:20
多數(shù)晶體內(nèi)原子、分子排列并非完美無暇,也因此會(huì)形成晶體缺陷,而科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)層狀二維材料存在的單原子缺陷,竟無需其他特殊條件就可在室溫下保留幾…
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2024-09-28 09:33:56
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2024-09-20 15:44:30
氮化硼(Boron Nitride, BN)是一種重要的無機(jī)化合物,廣泛應(yīng)用于電子、新能源、航空航天等多個(gè)高科技領(lǐng)域。其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),如高熱導(dǎo)率、電絕…
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2024-09-14 08:27:33
莫爾超晶格已被證明是一個(gè)非常豐富的材料平臺(tái),通過改變扭轉(zhuǎn)角、摻雜或電場(chǎng)來設(shè)計(jì)電子帶,可以實(shí)現(xiàn)不同的物質(zhì)相。然而,現(xiàn)有的莫爾系統(tǒng)在各個(gè)方面都存在…
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2024-09-07 08:26:32
六方氮化硼(h-BN)納米材料,如氮化硼納米顆粒(BNNPs)、氮化硼納米管(BNNTs)、氮化硼納米纖維(BNNFs)、氮化硼納米片(BNNSs),被認(rèn)為是近年來最…