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六方氮化硼:工業(yè)界的“寶藏單品”,涉略多個領(lǐng)域!

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-07-09 09:44:29 | 瀏覽量:92502

摘要:

六方氮化硼(以下簡稱h-BN)具有一系列優(yōu)異的特性,其作為一種主要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料,已在多個領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。而隨著研究的廣泛開展,h-BN的功能特性也被逐漸開發(fā)出來,在新能源、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外,對于具有結(jié)構(gòu)功能一體化要求的某些苛刻服役環(huán)境,h…


六方氮化硼(以下簡稱h-BN)具有一系列優(yōu)異的特性,其作為一種主要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料,已在多個領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。而隨著研究的廣泛開展,h-BN的功能特性也被逐漸開發(fā)出來,在新能源、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外,對于具有結(jié)構(gòu)功能一體化要求的某些苛刻服役環(huán)境,h-BN也是一種理想的候選材料。




六方氮化硼的特性分析


① 熱學(xué)性能

h-BN具有良好的高溫穩(wěn)定性,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下無明顯熔點,在3000℃以上發(fā)生升華。在氮氣或氬氣中h-BN的耐熱溫度可達到2800℃不發(fā)生軟化,在中性還原氣氛中耐熱溫度也可達2000℃;但其在氧氣氣氛中易發(fā)生氧化生成低熔點的氧化硼,導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差,使用溫度一般在900℃以下。

h-BN具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性,熱壓致密塊體陶瓷的室溫?zé)釋?dǎo)率可達50W/(m·K)以上,在陶瓷材料中僅次于氧化鈹和氮化鋁,與鋼鐵的熱導(dǎo)率接近。值得指出的是,h-BN陶瓷的熱導(dǎo)率隨溫度上升而下降的趨勢不大,在600℃以上時,其熱導(dǎo)率高于BeO,在1000℃時垂直c軸排列方向的熱導(dǎo)率約為27W/(m·K)高于絕大部分電絕緣體(熱燒結(jié)的h-BN存在織構(gòu)特征,導(dǎo)致不同方向的性能有差異)。如果通過向其中添加燒結(jié)助劑、改性相等來提高h-BN基復(fù)相陶瓷的致密度,其熱導(dǎo)率可望得到進一步的提高。

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氮化硼陶瓷

h-BN陶瓷的熱膨脹系數(shù)也相對較低,對于燒結(jié)后不存在明顯織構(gòu)的塊體陶瓷,其熱膨脹系數(shù)為(2.5~4)10-6K-1。但對于存在明顯晶粒擇優(yōu)取向排列的織構(gòu)h-BN陶瓷,其沿垂直于c軸排列方向的熱膨脹系數(shù)一般小于1x10-6K-1而平行于c軸排列方向的熱膨脹系數(shù)則顯著增大,可達10X10-6K-1以上,兩者相差可達10余倍。

基于較高的熱導(dǎo)率、較低的熱膨脹系數(shù)和彈性模量,h-BN陶瓷具有優(yōu)異的抗熱沖擊性能,材料經(jīng)受反復(fù)強烈熱震后也能保持不被破壞。熱壓h-BN陶瓷;試樣在1000℃高溫環(huán)境中保溫20min后,立即移人空氣中冷卻或用風(fēng)扇冷卻至室溫,再送回高溫環(huán)境中,如此反復(fù)循環(huán)數(shù)百次仍可保持材料不發(fā)生開裂破壞,只是強度略有降低。

② 電學(xué)性能

h-BN是良好的室溫和高溫電絕緣體。在干燥環(huán)境下,高純度h-BN陶瓷電阻率可達1016~1018cm,即使在1000℃電阻率仍可保持在1016~1018cm,但隨著濕度的增加,h-BN的電阻率會有所下降;h-BN具有很高的擊穿電壓,可達30~40kV/mm,因此其是作為高頻絕緣、高絕緣、高溫絕緣的理想候選材料;h-BN的介電常數(shù)e值為3~5,介電損為(2~8)10-4,這在陶瓷材料中也是比較小的。

③ 化學(xué)性能

h-BN具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,不溶于冷水,在沸水中水解非常緩慢并產(chǎn)生少量的硼酸和氨。h-BN對各種無機酸、堿、鹽溶液及有機劑均有相當(dāng)?shù)目垢g能力,在大多數(shù)酸、堿中都具有極好的穩(wěn)定性,在室溫下與弱酸和強堿均不起反應(yīng),在濃硫酸、硝酸、磷酸等溶液中浸泡7天的試樣質(zhì)量損失率均小于10%,微濟于熱酸,用熔融的氫氧化鈉(NaOH)、氧化鉀(KOH)等處理后才能發(fā)生分解。此外,h-BN對大多數(shù)金屬和玻璃的高溫熔體既不潤濕也不發(fā)生反應(yīng)因此其可作為熔制各種金屬的理想堆塌材料。




六方氮化硼的應(yīng)用


① 航空航天領(lǐng)域

h-BN具有高的熱穩(wěn)定性和低的介電損耗,是適合于制造高溫天線罩/窗的材料之一。盡管其存在硬度低、抗雨蝕能力差等問題,但通過采用氮化硅、氧化硅等對h-BN陶瓷進行復(fù)合化,在改進燒結(jié)特性的同時還可以兼具各成分的優(yōu)勢,能夠滿足高馬赫數(shù)飛行條件下天線罩/窗構(gòu)件對于防熱、承載、透波等多種復(fù)雜性能的要求。

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針對可應(yīng)用于衛(wèi)星和深空探測器姿態(tài)控制、軌道插入、轉(zhuǎn)移、保持等飛行任務(wù)的霍爾電推進器,其關(guān)鍵部件噴管材料要求具有良好的耐熱、抗循環(huán)熱震、高溫電絕緣、抗離子濺射侵蝕性能,以及適宜的二次電子發(fā)射系數(shù),h-BN陶瓷是最為合適的制備噴管構(gòu)件的材料。俄羅斯、日本、美國以及歐盟都已在霍爾電推進器h-BN系列陶瓷噴管材料的研究方面開展了大量的工作,并在相關(guān)航天飛行器上獲得成功應(yīng)用,我國也在相關(guān)型號衛(wèi)星等航天飛行器上完成了霍爾電推進器及其噴管構(gòu)件的空間在軌實驗驗證。

② 冶金行業(yè)

h-BN及其復(fù)相陶瓷一直以來被大量作為高溫耐火材料應(yīng)用,如TiB-AIN-BN復(fù)相陶瓷蒸發(fā)舟、SigN-BN分離環(huán)、特種金屬高溫電解槽、高溫塌、鑄造用型殼等。隨著研究的深人以及應(yīng)用需求的擴展,該系列陶瓷材料的性能有了較大程度的改進,應(yīng)用領(lǐng)域也日益拓寬。

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▲導(dǎo)電陶瓷蒸發(fā)舟

薄帶連鑄技術(shù)是一種新型的薄帶鋼生產(chǎn)工藝,與傳統(tǒng)熱軋工藝相比,具有設(shè)備投資少、生產(chǎn)工序簡單、能耗小、產(chǎn)品成本低等優(yōu)點。側(cè)封板是為了能在鑄輯之間形成液態(tài)金屬熔池而在鑄輥兩端添加的重要防漏裝置,它能起到約束金屬液體、促進薄帶成型、保證薄帶邊緣質(zhì)量等作用,其要求材料具有良好的抗熱震、抗鋼水侵蝕、高溫體積穩(wěn)定、與鋼水不浸潤等特性以及適宜的耐磨性能。經(jīng)歷了傳統(tǒng)耐火材料、熔融石英(fusedquartz)氧化鋯等多種材質(zhì)后,h-BN已被公認(rèn)為是最有潛力的材料。日本、美國、俄羅斯、德國等冶金技術(shù)強國均對h-BN復(fù)相陶瓷側(cè)封板進行了系統(tǒng)的研究,形成了SiAlON-BN、SiN-BN、AIN-BNZrO2--BN等多個系列材料,我國相關(guān)研究機構(gòu)也已完成模擬工況條件下的實驗測試。

③ 電子行業(yè)

h-BN具有高絕緣、高導(dǎo)熱等特性,在電子電路中可以作為散熱管理器件使用。將化學(xué)氣相沉積或者液相剝離法制備的單層或少層h-BN納米材料應(yīng)用到芯片表面時,既可以起到保護作用,還可以利用其特殊的二維結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)異橫向傳熱能力,將高功率電子器件的局部熱點熱量迅速沿橫向傳開,降低局部最高溫度,從而提升器件的壽命及可靠性。此外,h-BN粉體還是一種理想的高分子填料,將其加人樹脂、橡膠、塑料等材料中,可提高熱導(dǎo)率并改善絕緣特性,這對于高分子材料在柔性電子器件中的應(yīng)用具有重要作用。

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▲石墨散熱膜&氮化硼散熱膜

近些年,隨著石墨烯研究的逐年升溫,二維氮化硼納米片也受到了廣泛關(guān)注由于兩者的結(jié)構(gòu)相似但電學(xué)性質(zhì)迥異,將它們逐層相間排列,可構(gòu)成高質(zhì)量的平面異質(zhì)結(jié),其具有晶格失配小、載流子遷移率高、帶隙寬度可調(diào)等特點,在微納米結(jié)構(gòu)的高頻晶體管和光電子器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

④ 其他領(lǐng)域

h-BN在其他領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用:

● 含硼的化合物具有一定的防中子輻射特性,h-BN也可用于防止中子輻照的包裝材料、原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)部件等;

● h-BN的耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定及良好高溫潤滑特性,使其可應(yīng)用于高溫潤滑劑或模具的脫模劑、熔體的防黏劑中等;

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▲珠光效果氮化硼粉體(來源:山東晶億)

● 高純度的h-BN附著力好,質(zhì)感柔軟潤滑,比傳統(tǒng)的化妝品粉末(如滑石粉、云母等)的摩擦系數(shù)更低,可用作高端化妝品如粉餅、口紅、唇彩、皮膚護理品等產(chǎn)品的填料;

● 最近的研究表明,h-BN的各種形態(tài)可以通過一些自由基的形成引發(fā)或催化一系列反應(yīng),包括乙炔氯化反應(yīng)和丙烷脫氫反應(yīng),因此其既可作為催化劑的載體,還可以通過摻雜、修飾等手段將其直接應(yīng)用于催化反應(yīng)之中,表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。


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