[科普中国]-氮化硼陶瓷

氮化硼晶体属六方晶系，结构与石墨相似，性能也有很多相似之处，所以又叫“白石墨”。

简介氮化硼晶体属六方晶系，结构与石墨相似，性能也有很多相似之处，所以又叫“白石墨”。1

性能它有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度，是理想的散热材料和高温绝缘材料。氮化硼的化学稳定性好，能抵抗大部分熔融金属的浸蚀。它也有很好的自润滑性。氮化硼制品的硬度低，可进行机械加工，精度为1/100mm。

制取方法将B2O3与NH4Cl共熔，或将单质硼在NH3中燃烧均可制得BN。

用途氮化硼可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成形模具等。

通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B－N键长（156pm）与金刚石在C－C键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

氮化硼氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。

发展历史氮化硼问世于100多年前，最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼[简称：h—BN，或a—BN，或g—BN(即石墨型氮化硼)]，h—BN不仅其结构而且其性能也与石墨极为相似，且自身洁白，所以俗称：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人发现的化合物。国外对BN材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作，直到1955年解决了BN热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投入了生产，1960年已生产10吨以上。

1957年R·H·Wentrof率先试制成功CBN，1969年美国通用电气公司以商品Borazon销售，1973年美国宣布制成CBN刀具。

1975年日本从美国引进技术也制备了CBN刀具。

1979年Sokolowski卜引首次成功采用脉冲等离子体技术在低温低压卜制备崩c—BN薄膜。

20世纪90年代末，人们已能够运用多种物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的方法制备c—BN薄膜。

从中国国内看,发展突飞猛进，1963年开始BN粉末的研究,1966年研制成功，1967年投入生产并应用于我国工业和尖端技术之中。

理化性质物质特性CBN通常为黑色、棕色或暗红色晶体，为闪锌矿结构，具有良好的导热性。硬度仅次于金刚石，是一种超硬材料，常用作刀具材料和磨料。

氮化硼具有抗化学侵蚀性质，不被无机酸和水侵蚀。在热浓碱中硼氮键被断开。1200℃以上开始在空气中氧化。熔点为3000℃，稍低于3000℃时开始升华。真空时约2700℃开始分解。微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.25。压缩强度为170MPa。在氧化气氛下最高使用温度为900℃，而在非活性还原气氛下可达2800℃，但在常温下润滑性能较差。碳化硼的大部分性能比碳素材料更优。对于六方氮化硼：摩擦系数很低、高温稳定性很好、耐热震性很好、强度很高、导热系数很高、膨胀系数较低、电阻率很大、耐腐蚀、可透微波或透红外线。

物质结构氮化硼六方晶系结晶，最常见为石墨晶格，也有无定形变体，除了六方晶型以外，碳化硼还有其他晶型，包括：菱方氮化硼(简称：r—BN，或称：三方氮化硼，其结构类似于h—BN，会在h—BN转化为c—BN的过程中产生)、立方氮化硼[简称：c—BN，或|3一BN，或z-BN(即闪锌矿型氮化硼)，质地非常坚硬]、纤锌矿型氮化硼(简称：w—BN，h—BN高压下的一种坚硬状态)。人们甚至还发现像石墨稀一样的二维氮化硼晶体(类似的还有MoS：二维晶体)。

制作方法高温高压合成法

1957年Wentorf首次人工合成立方BN。在温度接近或高于1700℃，最低压强为11～12GPa时，由纯六方氮化硼(HBN)直接转变成立方氮化硼(CBN)。随后人们发现使用催化剂可大幅度降低转变温度和压力。常用的催化剂为：碱和碱土金属、碱和碱土氮化物、碱土氟代氮化物、硼酸铵盐和无机氟化物等。其中以硼酸铵盐作催化剂所需的温度和压力最低，在1500℃时所需压力为5GPa，而在压力为6GPa时其温度区间为600～700℃。由此可见，虽然加催化剂可大大降低转变温度和压力，但所需的温度和压力还是较高。因而其制备的设备复杂、成本高，其工业应用受到限制。2

化学气相合成法

1979年Sokolowski成功利用脉冲等离子体技术在低温低压下制备成立方氮化硼(CBN)膜。所用设备简单，工艺易于实现，因此得到迅速发展。已出现多种气相沉积方法。传统来讲主要是指热化学气相沉积。实验装置一般由耐热石英管和加热装置组成，基体既可以通过加热炉加热(热壁CVD)，也可以通过高频感应加热(冷壁CVD)。反应气体在高温基体表面发生分解，同时发生化学反应沉积成膜，反应气体有BCl3或B2H4与NH3的混合气体。

水热合成法

此方法是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点，一是其相对低的温度，二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。作为一种低温低压合成方法，被用于在低温下合成立方氮化硼。

苯热合成法

作为近年兴起的一种低温纳米材料合成方法，苯热合成受到广泛关注。苯由于其稳定的共轭结构，是溶剂热合成的优良溶剂，最近成功地发展成苯热合成技术，如反应式：

BCl3+Li3N→BN+3LiCl

或BBr3+Li3N→BN+3LiBr

反应温度只有450℃，苯热合成技术可以在相对低的温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的、在超高压下才能存在的亚稳相。这种方法实现了低温低压制备立方氮化硼。但是这种方法尚处于实验研究阶段，是一种很有应用潜力的合成方法。

自蔓延技术

利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应，体系局部发生反应形成化学反应前沿(燃烧波)，化学反应在自身放出热量的支持下快速进行，燃烧波蔓延整个体系。这种方法虽然是传统的无机合成方法，但近年才有报道用于氮化硼的合成。

碳热合成技术

该方法是在碳化硅表面上，以硼酸为原料的，碳为还原剂，氨气氮化得到氮化硼的方法，所得产物纯度很高，对于复合材料的制备具有很大的应用价值。

离子束溅射技术

利用粒子束溅射沉积技术，得到立方氮化硼和六方氮化硼的混合产物。这种方法虽然杂质较少，但是由于反应条件难以控制，因此产物的形态难以控制，对这种方法的研究还有很大的发展潜力。

激光诱发还原法

用激光作为外加能源，诱发反应前驱体之间的氧化还原反应，并使B和N结合从而生成氮化硼，但是这种方法得到的也是混合相。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学