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六方氮化硼(h-BN)的结构、制备、性能及用途
发布时间:2024-01-08        浏览次数:11        返回列表

  六方氮化硼(h-BN),是一种白色的粉末状材料,其晶体结构与石墨非常相似,且两者的物理化学性质也较为相像,因此六方氮化硼也被称为“白色石墨”,在导热、润滑、储氢、电池隔膜材料、高温抗氧化涂层、催化等领域都有着重要的应用。

  六方氮化硼是一种新型的复合材料,不仅具有低密度、高熔点、低硬度、抗热振性和机械加工性能好等优点,还具有耐高温、热膨胀系数小、热导率高、介电常数低、可靠的电绝缘性等优异性能。

  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通过范德华作用力连接起来,其晶格常数a=0.2506±0.0002nm,c=0.667±0.0004nm,密度ρ=2.25g/cm3.

  立方氮化硼在空气中非常稳定,具有很宽的带隙(5.1eV)和高的硬度(莫氏硬度2),能耐2270℃高温,在3270℃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。

  六方氮化硼的制备

  合成氮化硼常见方法有硼酐法、卤化硼法、硼酸法、硼砂法、电弧等离子体法等。其中硼酐法是工业生产氮化硼的主要方法。通常制得的氮化硼是石墨型的六方氮化硼,石墨型氮化硼在高温(1800℃)、高压(800MPa)下可转变为金刚型立方氮化硼。

  硼酐法 将B2O3与NH3于900~1200℃反应得到氮化硼粉末,将该粉末在1400℃的NH3中连续氮化或在1800℃的N2、Ar中处理后,即可得纯度高,结晶度好的氮化硼粉末。也可于石墨坩埚中在催化剂作用下,用石墨还原硼酐得到氮化硼。

  气相合成法 卤化硼与氨反应生成中间物质氨基络合物,氨基络合物经900~1200℃高温处理得到氮化硼。在900~1200℃得到的氮化硼纯度较低,如果在1600~1900℃下处理氨基络合物则可得高纯氮化硼。

  硼酸法 由硼酸与磷酸三钙等在氨气中加热制得。

  六方氮化硼的性能

  因为六方氮化硼的分子结构特点,所以其具备很多优异的性能,如高的导热性能、高的耐热性能、润滑性好、摩擦系数低、热膨胀系数低、介电性质优异等物理性能,同时也具备着抗氧化性强、抗腐蚀性强、化学性质稳定等化学性能。

  (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33W/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。六方氮化硼的线膨胀系数为(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•cm,即使在1000℃高温下,仍有104~106Ω•cm。

  (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。

  六方氮化硼的用途

  六方氮化硼是合成立方氮化硼的原料。立方氮化硼主要被用作高级耐火材料、超硬耐磨材料,由氮化硼加工制成的超硬材料,可制成高速切割工具和地质勘探、石油钻探的钻头。由于立方氮化硼还具有高导热性和良好的半导体特性,也是使用温度较高的半导体材料,广泛用于光电子、微电子领域。此外,氮化硼可以用于制造TiB2 /BN复合陶瓷,金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂及高温涂料,在抗熔融金属腐蚀的场合作为热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。用作半导体硅掺杂源。在航空等工业可以用作航天航空中的热屏蔽材料,原子反应堆的结构材料,高压高频电及等离子弧的绝缘体。


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