氮化硼奈米管：特性、合成與應用

Richard Dolbec, Ph.D.

Director, R&D Group, Tekna Plasma Systems Inc.

氮化硼納米管 [(BNNT), Product No. 802824]是碳奈米管 [(CNT), Product No. 791431]是高縱橫比的納米管狀材料，其中碳原子被氮原子和硼原子交替取代。CNTs 和 BNNTs 都被認為是強度最高的輕質納米材料，其揚模量為 1 TPa。BNNTs 的熱傳導率也與排列整齊的單壁 CNTs 的熱傳導率相似。然而，與 CNTs 不同的是，BNNTs 擁有更寬的帶隙 (~5.5 eV)、更高的抗氧化性以及更高的熱穩定性。這些特性使得 BNNTs 在機械補強應用、透明大體複合材料、高溫材料 (例如金屬基複合材料 (MMC))，以及輻射遮蔽等領域的使用更具吸引力。BNNTs 和 CNTs 的主要特性比較請見 圖 1. 

。

圖 1. BNNTs 和 CNTs 的主要特性比較。

Born Nitride Nanotubes 的合成

NNTs 於 1995 年首次以電弧放電法合成。² 自此之後，其他製程如雷射燒蝕、化學氣相沉積、球磨退火、熱解和電弧噴射電漿等都被探討用來合成 BNNTs。近數十年來，電感耦合電漿 (ICP) 技術已被廣泛用於合成奈米結構材料。^3-11 其中，ICP 因其能製造大量高品質的 BNNTs 而受到相當大的關注。^12-13 在 ICP 技術中，純 h-BN 粉末在富含氫氣的氬電漿中氣化，分解成組成元素 (B、N 和 H)。反應氣體中氫的存在是達到催化效果的關鍵。氫的存在也免除了 ICP 製程中金屬催化劑的使用，並可製造出非常純淨的小直徑 BNNT。

BNNT 的表徵

以 ICP 方式生長的 BNNT 物料是以大體質量13&

收集的。sup>13 從中可以分離出 BNNT 纖維 (圖 2a)，並拉出 BNNT 紗線 (圖 2b)。圖 2 中所示材料的輕微米色是由於存在少量的無定型硼，而這些無定型硼可以通過後處理有效地去除。

圖 2. (a) 可拉出 BNNT 紗線 (b) 的纖維材料。

圖 3 顯示了一些使用 ICP 製成的 BNNTs 的代表性掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。可以注意到，使用 ICP 方法合成的 BNNTs 由隨機取向的納米管組成。這歸因於 ICP 合成的 BNNTs 是在沒有基底的情況下生長的。單獨分離的 BNNT 的 SEM 分析顯示，它們的長度通常只有幾微米。

圖 3. BNNT 材料的 SEM 顯微圖片。

BNNTs的代表性透射電子顯微鏡（TEM）影像也顯示在 圖4中。這些影像顯示 ICP 複合製成的 BNNTs 通常呈現多壁 (2 到 5 壁) 管狀結構，並且擁有 ~5 nm 的平均直徑。圖片也顯示 BNNT 壁是無缺陷的，ICP 合成的 BNNT 品質確實很高。

圖 4. 生長後的 BNNT 的 TEM 分析。

~0.2 µm 厚的 BNNT 薄膜在 UV-Vis 範圍內的光學特性如 圖 5所示。在寬廣的波長範圍內觀察到良好的透射率。此外，還可以看到在 ~200 nm 處有強大的吸收，這是典型的六方 BN (h-BN) 相。BNNT 在可見光範圍內的這種透明度使其能夠納入光學特性極為重要的複合材料中，例如強化玻璃。

圖 5. BNNT 薄膜的紫外可見光透射率

BNNT的熱穩定性和化學穩定性都非常出色。已知 BNNT 材料在高達 900 °C 的溫度下具有空氣穩定性，並且可以長時間承受嚴苛的氧化條件。這在 圖 6 中有所說明，其中將暴露於天然瓦斯火焰中的一片折疊 BNNT 扣紙的行為與普通紙張和 CNT 扣紙的行為進行了比較。¹⁵ 雖然 CNT 在燃燒前比一般紙張多抵抗幾秒鐘的曝露，但 BNNT 材料在持續曝露於天然瓦斯火焰 150 秒後仍然完好無損，顯示出 BNNT 材料的不燃性。

圖 6. BNNT 與一般紙張及 CNT 降壓紙的阻燃性比較。

BNNT的應用

高剛性和優異的化學穩定性使BNNT成為聚合物、陶瓷和金屬的理想補強材料。^1,16 這些複合材料所展現的 Young's moduli (楊氏模數值) 是純環氧樹脂的兩倍以上，也是未浸漬蕎麥紙的 20 倍。BNNT 也是最有希望用來強化鋁基結構的材料類別之一。¹⁷ BNNTs 的低反應性有助於將這種材料整合到鋁基礎中，而 CNTs 則會因碳和鋁之間的反應而失效，形成不想要的 Al¹⁷ BNNTs 的低反應性有助於將這種材料整合到鋁基礎中。/span>₄C₃ 相。BNNTs 的氧化溫度 (~950 °C)也遠高於鋁的熔點 (660 °C)，這使得 BNNTs 可以直接均勻地分散在鋁熔體中。由於 BNNTs 在高溫下仍能保持其機械特性，而密度卻非常低，因此可開發出新的耐高溫輕質 MMC。BNNTs 還具有良好的熱導性。這使得它們在散熱非常重要的奈米電子應用中非常有用。這也使得 BNNTs 具有多功能性，因為它不僅能提高複合材料的剛性，還能產生高導熱性和高透明度。BNNT 強化玻璃複合材料的開發中，已利用高剛性與高透明度的結合。¹⁸ BNNT 的其他固有特性，例如良好的輻射遮蔽能力、¹⁹ 高電阻性和優異的壓電特性，可能會提高將其整合到新應用中的興趣。

摘要

由於 BNNTs 的可用性有限，涉及它們的應用仍在開發中，為此，使用 ICP 合成 BNNTs 似乎很有前景，因為它允許更大規模地生產高品質的材料。科學界若能獲得更大量的高品質 BNNT，將有助於推動對其獨特特性進行更深入的研究，並加速新應用的開發。

材料

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參考資料

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