一文读懂 | 什么是六方氮化硼

六方氮化硼(h-BN),是一种人工合成的无机材料,具有多种优良性能,越来越广泛的应用于各种新技术、新产品当中,提高了现代工业的技术水平,推动了新材料产业向更深、更广的领域发展。

六方氮化硼定义

六方氮化硼

六方氮化硼(h-BN),是由氮原子和硼原子组成的六角网状层面结构晶体,是氮化硼所有物相中唯一存在于自然界的物相结构,其外观为质地柔软、松散、有光滑感、易吸潮的白色粉末,具有类似于石墨烯的层状结构特征,因此又被称为“白石墨”。

六方氮化硼的结构

从分子结构图来看,六方氮化硼属于六方晶系,具有和石墨烯相同的六方晶体结构,是由多层结构堆叠起来的,不同层之间B-N-B通过范德华作用力链接起来,其晶格常数a=0.2506±0.0002nm,c=0.667±0.0004nm,密度ρ=2.25g/cm³。

六方氮化硼晶体结构

六方氮化硼在空气中非常稳定,具有很宽的带隙(5.1eV),能耐2270℃高温,在3000℃左右时才会升华。同时,六方氮化硼具有良好的绝缘性、导热性和化学稳定性、热膨胀/收缩率低等优点,与弱酸和强碱在室温下均不反应。

六方氮化硼的性质

六方氮化硼基本性质

1)高耐热性。六方氮化硼(h-BN)在0.1Mpa氮气中加热至3000℃以上才会升华,在1800℃时的强度为室温的2倍,因此具有着优异的抗热震性能,在1500℃空冷至室温数十次也不会出现破裂情况。

2)高导热系数。六方氮化硼制品的导热率约为34W/m·k,有着与不锈钢相似的导热系数,导热率较大。

3)低膨胀系数。六方氮化硼的膨胀系数为(2.0~6.5)*10-6/℃,仅次于石英玻璃,加上其具有高的导热率,因此抗热震性能极好。

4)优良的电绝缘性。六方氮化硼的高温绝缘性好,高纯度六方氮化硼最大体积电阻率可达1016~1018Ω•m,即使在1000℃高温下,仍有104~106Ω•m。

5)良好的耐腐蚀性。六方氮化硼化学稳定性好,且不被大多数的熔融金属、玻璃和盐润湿,因此具有很高的抗酸、碱、熔融金属及玻璃的侵蚀能力,有良好的化学惰性。

6)较低的摩擦系数。六方氮化硼具有极好的润滑性能,摩擦系数为0.16,高温下不增大,比二硫化钼、石墨耐温高,氧化气氛可用到900℃,真空下可用到2000℃。

7)可机械加工性。六方氮化硼极易使用常规金属切削技术对制品精加工,车削精度可达0.05mm,因此由六方氮化硼坯料可以加工得到复杂形状的制品。

六方氮化硼的合成

目前,制备六方氮化硼的方法有多种,如元素硼法、硼酸法、硼酸盐法以及卤化硼法等,其基本原理都是将含硼化合物(如硼酸、元素硼、卤化硼及其他硼酸盐)和含氮化合物(如氨、尿素、氯化氨、三聚氰胺等)一起加热反应,经理化处理后得到不同纯度的六方氮化硼。

国内合成六方氮化硼的方法主要有硼砂-氯化氨法、硼砂-尿素法、硼砂-三聚氰胺法。

  1. 硼砂-氯化氨法。将脱水后的硼砂与氯化氨混合,在氨气流中加热反应,将反应得到的产物经过破碎后,用稀盐酸浸泡,再更换一次稀盐酸,然后再经多次无离子水洗涤、过滤、干燥、粉碎值要求细度,即可得到成品六方氮化硼。
  2. 硼砂-尿素法。将将脱水后的硼砂与尿素混合,在氨气流中加热反应,将反应得到的产物经过破碎后,用稀盐酸浸泡,再更换一次稀盐酸,然后再经多次无离子水洗涤、过滤、干燥、粉碎值要求细度,即可得到成品六方氮化硼。
  3. 硼砂-三聚氰胺法。将脱水后的硼砂与三聚氰胺混合,在氨气流中加热反应,将反应后的产物经过理化处理(无需水洗,更环保),即可得到成品六方氮化硼。

六方氮化硼的应用

六方氮化硼应用

由于拥有优良的物理、化学性质,所以六方氮化硼在航空航天、冶金、电子、机械、化妆品等领域都有着广泛的应用,包括但不限于以下:

  1. 六方氮化硼及其复合陶瓷制品。目前,六方氮化硼复合陶瓷材料,主要用于真空镀膜行业,如真空镀铝蒸发舟、电容器金属化真空镀膜、显示屏镀层等。
  2. 合成立方氮化硼。立方氮化硼是以六方氮化硼为原料通过高温高压方法合成的,其硬度仅次于金刚石,而热稳定性和化学惰性优于金刚石。
  3. 涂层材料及润滑剂行业。六方氮化硼具有优良的润滑性质,摩擦系数低,自润滑性能优异,尤其是在高温下仍具有优良的自润滑性,因此被广泛应用于涂层材料、脱模剂及润滑剂行业。
  4. 化妆品行业。在化妆品中加入一定比例的六方氮化硼,可增加化妆品的附着力和遮盖力,也可以使产品紧致、易涂抹、易于清洁去除。

其他行业。在高压电器行业,氮化硼与聚四氟材料复合作用,作为绝缘材料被应用于高压开关中;也可利用六方氮化硼的耐热耐腐蚀性制作高温构件、火箭燃烧室内衬等。