硼酸镁纳米材料

硼酸镁纳米材料的制备和表征
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摘要
硼酸镁在金属及塑料等复合材料增强和润滑剂增强等领域有重要的应用价值。

近年来，国内外科研工作者们对硼酸镁纳米材料制备及其应用展开研究，取得了许多新的成果。

本文首先系统介绍了纳米材料的基本内涵、特性和发展历史，以及表征手段等相关内容;对当前硼酸镁纳米材料的研究现状做了详细的介绍，然后对自己所展开的研究工作进行了充分的阐述，具体内容如下:
(1)以MgCl•6H
2O与NaBH
4
为原料，用水热法在200℃下制备了水合硼酸镁
(MgZB20。

(H20))纳米线。

SEM结果表明纳米线的长度约为1um到10um，直径约为3Onm到150nm。

对比实验表明，温度和浓度对纳米线的形成有着重要影响。

温度为200℃时，纳米线的长径比较大，形貌比较理想，随着温度降低，纳米线的长径比逐渐减小，温度降低到120℃时，一维结构消失，变为片状结构。

反应物的浓度过高或过低都不利于纳米线的生长，只有在合适的浓度范围才能得到比较理想的纳米线。

(2)以MgCl•6H
2O与NaBH
4
为原料，采用水热法，制备出花状纳米硼酸镁。

SEM
结果表明这些花状结构是由纳米片状结构组成，纳米片的长宽都约在200nm左右，厚度约为10nm到20nm。

对比实验表明，浓度对花状结构的形貌有重要影响。

(3)以Mg（NO
3）•6H
2
O、Na
2
B
4
O
7
.10H
2
O为原料，采用水热法，在不同的溶条件
下，分别制备出竹叶状和带状纳米硼酸镁。

以水和乙醇组成混合溶剂得到的是竹叶状纳米硼酸镁。

该方法制得的硼酸镁纳米竹叶非常的纯净，分散性很好，维度分布均匀，而且可以量产，可以做进一步的性质及应用研究。

采用水做溶剂得到的硼酸镁为纳米带。

SEM结果表明，纳米带的维度分布为长度约为500nm到2um，宽度约20nm到80nm。

关键词：硼酸镁；水热法；纳米线；纳米花；纳米竹叶
第一章绪论
1.1引言
人类科学的发展过程是一个不断探索客观世界，认识客观世界的过程。

客观世界中存在着的物质按照尺度规模可以划分为多个层次。

长期以来，人类对物质的探索广泛地深入到微观的粒子和宏观的天体层次。

从上世纪80年代末以来，在微观到宏观的过渡区域，即对尺度介于0.Inm到100nm范围的物质的探索，吸引了人们极大的的研究热情。

纳米科学技术正是在对这一尺度范围的物质进行探索和研究的过程而产生的新科学技术。

纳米科技使人们可以通过直接操纵和安排原子、分子而达到创新目的。

纳米科技开辟了人类认识世界的新层次，并使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，这标志着人类的科学技术发展到了一个新的时代，即纳米科技时代。

如今，纳米科学技术已经和信息科学技术、生物科学技术一道被列为二十一世纪的三大主导技术，被认为将对人们的生产方式、工作方式和生活方式产生深远影响
1.2纳米材料的基本内涵、发展历史及其特性
纳米材料又称纳米结构材料，是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-1O0nm)或由他们作为基本单元构成的材料，并具有不同于常规材料的性能。

从维度上可将纳米材料分为四类:(1)零维，也被称为量子点，即材料的三维尺度均在纳米范围，如纳米颗粒，原子团簇;(2)一维，量子线，指材料的两维尺度在纳米范围，如纳米线，纳米管;(3)二维，指有一维尺度在纳米范围，如纳米薄膜，量子阱超晶格等;(4)三维，即内部富含纳米结构，并且具有纳米材料的性质，但是在在三维方向都超过了纳米范围的一些材料，如介孔材料、多孔材料等。

第二章硼酸镁纳米材料的应用、制备方法及表征
2.1硼酸镁的应用
硼酸镁的晶相有很多种，除了Mg、B与O构成的化合物外还有大量含H元素
的化合物。

Mg、B以及0元素构成的硼酸镁化合物主要有Mg
2B
2
5
、MgB
4
0以及Mg
3
B
2
6
等几种最常见的化学式。

硼酸镁的应用主要有作为热释光材料的基质材料，用做润滑油的增强剂，以及硼酸镁晶须的应用，并以硼酸镁晶须的应用最广泛也最有前途。

硼酸镁晶须是长度为20um-50um、直径为0.5um-2.0um的针状晶体，由于其尺寸细小，无缺陷，具有相当高的杨氏模量和强度，所显示出超强的增强与填
充能力而被用在金属、塑料以及陶瓷等材料上。

硼酸镁晶须增强金属复合材料
硼酸镁晶须能使铝基材料及镁合金材料的力学性能提高。

研究表明，添加20%的硼酸镁晶须，能使铝6061复合材料的弹性模量增加50%,拉伸强度增加12%;利用真空浸渍法制备硼酸镁晶须增强镁合金MB15的复合材料，弹性模量增加了10%到20%。

可见，硼酸镁晶须对铝镁基金属符合材料的增强能力是比较显著的。

人们可利用其轻质、高韧、耐磨、耐蚀等特点，将其应用到许多场合，如用于发动机活塞、连杆、压缩机汽缸等耐热、耐磨部件上。

2.2硼酸镁纳米材料的制备方法
目前，己有若干文献报道了硼酸镁的一些晶相的纳米线，纳米管，纳米带以及纳米棒的制备，所采用的制备方法包括化学气相沉积法(CVD)，高温烧结法溶胶一凝胶法(Sol-Gel)以及水热法等方法。

不过，目前这些报道中所制备的硼酸镁纳米材料大都产量不高，纯净度比较低，形貌不够均匀，还不足以对硼酸镁纳米材料的性质及应用研究提供足够的支持。

因此，对硼酸镁纳米材料的制备方法和生产工艺的研究以及改进仍然需要做大量的工作。

此处兹就硼酸镁纳米材料的制备现状做一简略的介绍。

化学气相沉积法(CVD)
化学气相沉积法(CVD)是制备纳米粉体材料的一种常用方法。

它是利用气态物质在一定的温度和压力下于固体表面发生反应，生成沉积物的过程。

CVD法能制备很多在低温下很难制备的物质，且产量高，但该方法所需温度高，不易得到
高纯的物质，产物分散性不够高。

Li等用CVD法制备了Mg
2B
2
O。

的纳米线。

其做
法如下 :BI
3/H
3
BO
3。

作为B源，镀有2nm厚的Pt/Pd层的MgO基片作为Mg源，
当系统温度达到850℃到1050℃之间后，用Ar做载气把BI3/H3B03载入，与Mgo
反应，可在基片上得到Mg
2B0
5
纳米线。

所得的纳米线的长径比比较大，但纯净度
不够高。

采用CVD法，用B，MgO，HZO蒸气作为源反应物，在高温下得到Mg
3B 2
5
纳米带。

不过该方法制得的纳米带产量跟纯度都很低。

马等采用红外加热装置，
用CVD法在Si基片上生长了单晶的Mg
3B
6
氏纳米管。

纳米管的形貌比较均匀，产
量比较高，有一定程度的团聚。

高温烧结法
高温烧结法是一种比较传统的制备固体材料的方法，也可用来制备纳米材
料。

马等采用高温烧结的方法，首次制备了硼酸镁(Mg
2B
2
O
5
)纳米线，其具体做法
是:将MgO，B
2O
3
，以及B粉按适当的比例混合，在Ar氛围下加热到1050℃，保
持2小时，自然冷却到室温后可得到硼酸镁纳米线。

然而，该方法得到的纳米线产量不高，且杂质较多。

溶胶一凝胶法(Sol-Gel)
溶胶一凝胶法是制备纳米材料的一种重要方法，由于制得的纳米粒子具有化学均匀性好，纯度高，颗粒细等优点，越来越受到重视。

但它也有凝胶颗粒间烧结性不好，干燥时收缩大等缺点。

用溶胶一凝胶法制备了MgB4o7和Mg2B205纳
米棒。

他们将Mg(NO
3)
2
与H
3
BO
3
在水溶液中混合，以柠檬酸作为发泡剂，得到溶
胶，经干燥处理后得到凝胶前驱体，再经过热处理，在不同的温度条件下可分别
得到MgB
4O
7
与Mg
2
B
2
O
5
纳米棒。

此方法得到的纳米棒产量低，形貌不均匀，结晶性
不好，颗粒之间团聚程度比较重，不易分散。

水热法
水热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶，是制备超细、无团聚或少团聚、结晶完好的体材料的一种方法。

水热法具有设备简单、操作容易、过程易控制，温度较低等优点，水热法得到的产物通常纯度高、分散性好、粒度分布均匀且形状可控。

因此，水热法是制备纳米材料的一个重要且常见的方法。

Zhu 等采用水热法合成了MgBO 2(OH)纳米晶须。

其做法如下:首先将MgC12，H 3B03，Na0H 溶液混合，得到掇糊状前驱物，然后将
该前驱物在240℃下水热处理18小时，就可以得到纯净度比较高、形貌比较均匀且晶化度高的MgBO 2(OH)纳米晶须，其直径为20nm-50nm ，长度为0.5um-3um 。

本文以MgCl •6H 2O 、NaBH 4为原料，采用水热法制备了硼酸镁(Mg 2B 2O 5(H 2O))纳米线。

考察了不同的温度及浓度对硼酸镁纳米线形貌的影响。

SEM 结果表明，水热温度较高时，得到的纳米线长径比较大，温度越低，纳米线越短，甚至于得不到纳米线;浓度过高或过低都不利于纳米线的生长，只有在适宜的浓度条件下才能得到比较理想的纳米线。

2.3产物的表征
利用扫描电子显微镜对产物的形貌、尺寸等进行观察。

利用电子散射能谱分析仪(EDX ，Oxford INCA)以及X 射线粉末衍射仪(XRD ，Rigaku D/Max-3C)对所得白色粉末的成分以及物相进行了表征，其中XRD 的工作条件为:Cu 靶Ka 线，石墨片滤波，管压 30kV ，电流 20mA ，步长0.03°/s ，扫描范围:10°-70°。

第三章 结论
3.1结果与讨论
3.1.1物相分析
在用扫描电镜观察试样A 的过程中，我们发现除了纳米线外，几乎观察不到任何其他颗粒状杂质。

图中显示这些纳米线中主要包含B 、Mg 以及o 元素，这暗示这里水热法所合成的纳米线为镁的硼氧化合物。

进一步对所合成的产物进行x 射线衍射分析表明，所合成的纳米线为单一物相的硼酸镁晶体。

从图中可以看出，试样A几乎都是长径比比较大的纳米线；而180℃下得到的试样B虽然也是纳米线，但其长径比要小了很多；150℃下的试样C，其形貌主要是竹叶状的纳米片；当温度下降到120℃时，试样D已经不再是一维结构，而是二维片状结构。

可见，温度对产物的形貌有重要的影响。

温度越高，产物越倾向于形成一维结构，而在较低温度下，产物容易形成二维片状结构。

采用长径比来描述，温度越高，产物的长径比越大，一维线状的结构越明显。

如图，是维持反应温度为200℃并固定其他条件，改变反应物浓度得到的产物的扫描照片。

当反应物中M犷+浓度为0.65mol/L时，得到试样E，其扫描图象如图2.4(a)所示。

图中没有一维结构，而是微米级的花状结构，这些微米花状结构是由维度为数百纳米的纳米片组成的。

图2.4（b)是当Mg2+浓度为2mol/L时，得到试样F，其中几乎看不到纳米级的结构。

而图2.4(c)是M2+浓度为1.3mol/L 时，得到的试样A，在该反应浓度条件下可以得到长径比比较理想的纳米线，可见，浓度对产物的形貌有很重要的影响，浓度过高或浓度过低都不利于形成一维线状结构，只有在合适的浓度范围才能得到理想的纳米线。

由于实验数据尚不齐全，目前还不能具体的给出这个合适的浓度范围。

需要在今后的工作中进一步做浓度相关的对比实验，从而比较确切的得出利于生长纳米线的浓度范围。

3.2 展望
我们采用一种简单的水热法，成功制备了硼酸镁(Mg
2B
2
O
5
(H
2
0))纳米线，其直
径分布约为30nm-15Onm，长度约为1um到10um。

反应温度及反应物的浓度对纳米线的形貌有重要影响，这为未来进一步可控合成硼酸镁纳米线提供了基础。

由于我们采用水热法制备的纳米线产量和纯度较高，对于进一步研究其性质提供了可能，未来有望在增强金属复合材料及塑料复合材料等领域得到应用。

参考文献
[1]张立德，李爱莉，端夫，奇妙的纳米世界，化学工业出版社，2004:3
[2]Prokic M.Appl Radiat and Isotope，2000，52:97-103
[3]张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001:135一138。