“多變”的氮化硼與它的多樣用途

氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體，除了常見的六方氮化硼（白石墨）外，還有立方氮化硼（CBN）、菱方氮化硼（RBN）、纖鋅礦型氮化硼（WBN）等變體，科學家甚至還發(fā)現(xiàn)了與石墨烯性質類似的二維氮化硼晶體。

不同的氮化硼變體具有不同的特點和應用。以六方晶型的白石墨為例，氮原子和硼原子組成的六邊形網狀結構與石墨中的碳原子六邊形網狀結構極為相似，因此在某些方面具有相近的性質，如二者都具有耐熱性、耐磨性、潤滑性等特性；但白石墨還具有一些獨特的性質，如石墨既能導熱也能導電，而白石墨能導熱但不能導電。

手機燙了，來點氮化硼

氮化硼的導熱性能很強，熱膨脹系數很低，絕緣性能很好，同時還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導熱系數為56.94瓦每米·攝氏度，立方氮化硼的導熱系數為79.54瓦每米·攝氏度，僅次于金剛石。國外的一項研究顯示，單層六方氮化硼在室溫下的導熱系數高達751瓦每米·攝氏度。既導熱又絕緣的氮化硼粉體，在電子領域中備受青睞，有望成為下一代柔性電子器件散熱的首選材料。

氮化硼粉體

對于高密度和大功率電子產品來說，做好熱管理是一個急迫的問題。比如，隨著LED技術的普及，“農業(yè)工廠”應運而生。為了彌補光照的不足，用LED植物照射燈代替太陽光就成了一個成熟的解決方案。

盡管與其他照明設備相比，LED燈具有很高的能量轉換效率，但理論上總的電光轉換效率仍只有54%。這就意味著LED植物照射燈仍會有大量的熱能釋放。特別是當LED芯片溫度超過140°C時，其壽命的縮短就會成為一個不容忽視的問題。如何為LED燈降溫，六方氮化硼再次走進科學家的視野。用六方氮化硼作為填料來制作具有優(yōu)良電絕緣性和化學穩(wěn)定性的導熱塑料，可以提高其導熱性能。

為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”

隨著中國空間站“天和”核心艙的發(fā)射入軌，霍爾電推進器的“陶瓷心臟”成為人們的關注熱點。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復合材料打造的。

挑戰(zhàn)太空，人類一直使用化學動力，即通過燃燒化學推進劑來產生動力。航天器發(fā)射入軌后，也需要動力來支持軌道和姿態(tài)的調整，所以必須攜帶化學燃料或者在軌補加燃料。而攜帶化學燃料不僅加大了發(fā)射成本，而且在一定程度上影響著航天器的空間任務能力。在這樣的背景下，電推進技術逐步走向應用的前臺。我國空間電推技術研究起步于20世紀60年代，經過幾十年的技術攻關終于取得了多項技術突破。2020年1月，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進器成功完成點火試驗，并達到了國際先進水平。

“天和”核心艙配置的4臺霍爾電推進器，利用核心艙太陽能翼產生的電能，為空間站軌道維持和安全飛行提供動力支持?；魻栯娡七M器是等離子體推力器的一種，其原理是利用強電場將離子加速噴出，通過其反作用力來進行姿態(tài)調整或者軌道提升?；魻栯娡七M器具有推力小、比沖高的特點。比沖是評價火箭推進劑性能的技術參數，比沖越高則表示在一定條件下推進劑產生的速度增量越大。

空間站在軌運行，由于微重力以及近地空間稀薄大氣阻力的影響，軌道高度的衰減是不可避免的。不過，不需要多大的推力就能做到軌道保持。電推力雖小但可以精準調控，以提升任務執(zhí)行能力。高比沖則可以大幅減少航天器攜帶的化學燃料，以擴展空間任務的范圍等。

在霍爾電推進器中，等離子體的電離和加速需要在放電腔中完成。霍爾電推進器需要一顆堅強的“心臟”，來產生精確可調的推力。打造這顆堅強的“心臟”，必須滿足耐高溫、抗熱震、耐離子濺射、絕緣性好等條件，才能勝任放電腔的嚴酷工作。中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研制的氮化硼陶瓷基復合材料，正好滿足了電推進器對放電腔材料的特殊要求。

像金剛石一樣硬起來

以順滑著稱的白石墨，也能硬起來。20世紀50年代，科學家通過改變白石墨的結構，合成了一種立方氮化硼的單晶體。它是繼人造金剛石問世之后的又一種超硬材料，硬度略低于金剛石，但耐高溫性要遠遠優(yōu)于金剛石，尤其對鐵系金屬元素具有很好的化學穩(wěn)定性。

PCBN氮化硼聚晶工具

20世紀70年代，聚晶立方氮化硼（PCBN）問世。聚晶立方氮化硼的硬度很高，僅次于金剛石的硬度；抗彎強度和斷裂韌性介于硬質合金和陶瓷之間；熱穩(wěn)定性要高于人造金剛石，在1300℃時仍可以進行切削作業(yè)；在1200～1300℃高溫條件下不易與鐵系材料發(fā)生化學作用。

以“硬”聞名的立方氮化硼，用途之一是制作砂輪、油石之類的磨具，用途之二就是制作鉆頭、車刀、絞刀、銑刀之類的切削工具。特別是用于加工淬硬鋼、耐磨鑄鐵、鈦合金等一類難加工材料時具有一定優(yōu)勢，并且還非常適合用于數控機床加工。

絕活特用，前景看好

基于硅的半導體工業(yè)，讓人們深切感受到了現(xiàn)代電子產品的魅力。然而，用硅半導體制作的電子器件難以適應高溫等極端條件的挑戰(zhàn)。在這樣的背景下，白石墨具有的寬帶隙、高熱導率、高電阻率、高遷移率等特性引起了科學家的重視。特別是白石墨的衍生產品立方氮化硼，有望成為第三代半導體材料。有研究機構用氮化硼材料制成了高溫半導體PN結器件,在650℃條件下能夠正常工作。這就為制造能適應極端條件的電子器件拓展了視角，從而為半導體工業(yè)帶來了新的希望。

氮化硼納米薄膜（左）、納米管（右）結構示意圖

用氮化硼材料制備能耐受高溫、高頻、大功率、高輻射等極端條件的電子器件，就有可能解決許多特殊場合的應用難題。近年來，氮化硼薄膜材料的制備已成為半導體材料的一個研究熱點。由于氮化硼薄膜具有高硬度和抗熱性，并且在從紫外到遠紅外的整個波段都具有高透過率，因此適合用作大功率激光器和探測器的窗口材料。

氮化硼納米管的合成更是為氮化硼材料的高科技應用創(chuàng)造了機會。據悉，氮化硼納米管耐熱絕緣、抗氧化，并且具有很強的彈性和韌性，有望在航空、航天等特殊行業(yè)獲得應用。有研究機構計劃將氮化硼納米管應用于鋰硫電池以提高其性能，促進其商業(yè)化。