六方氮化硼：工業(yè)界的“寶藏單品”，涉略多個領(lǐng)域！

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。

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。

▲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。

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。

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。

▲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。

▲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；

▲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；