氮化硼纖維是20世紀60年代發展起來的無機纖維，該纖維具有優良的機械性能、耐熱性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能以及獨特的電性能等，可用作金屬基陶瓷基聚合物基複合材料的增強材料。
基本介紹
- 中文名：氮化硼纖維製法
- 外文名：Boron nitride fiber
- 特點：構類似於石墨但氧化性優越
- 套用：耐高溫材料
簡介,製造方法,特性,
簡介
氮化硼具有類似於石墨的晶體結構，但層間的堆積狀態明顯地不同於石墨。在氮化硼中原子的六角環直接堆砌在彼此的頂點上，而在石墨中一半原子位於相鄰層六角環的中心之間，層間距大約是0.3~0.33nm，在環的內部B-N和C-C鍵的距離分別是0.145nm和0.141nm。通過X射線對氮化硼纖維的研究表明，氮化硼還有一種結晶形式，稱為“渦輪層狀”，是氮化硼纖維的主要相，它與纖維的一些性質密切相關。纖維中氮化硼“渦輪層狀”的結晶尺寸從15nm到幾千納米，層間距接近0. 333nm。氮化硼具有六角環平面網狀結構， B-N鍵鍵能400kJ/mol，可作為耐高溫材料使用。氮化硼纖維在熔融金屬中是穩定的，在空氣中約900℃時仍能穩定存在。
製造方法
氮化硼纖維的製造方法主要有無機先驅體轉化法和有機先驅體轉化法兩種。無機先驅體轉化法是將氧化硼熔紡成先驅體氧化硼纖維，在氨氣氣氛中高溫氮化，再進一步高溫燒成氮化硼纖維。其反應過程如下。
在200℃以上，B2O3纖維與NH3先形成加成絡合物：
nB2O3+NH3—→（B2O3）n·NH3（n≥3）
在350℃以上，加成絡合物進一步與NH3反應：
（B2O3）n·NH3—→（BN）x（B2O3）y（NH3）z+H2O式中，x、y、z與反應時間、NH3的濃度和升溫速率有關。
當溫度超過1800C時,在惰性氣氛中進一步氮化:
yH2O+（BN）x（B2O3）y（NH3）z—→xBN+yB2O3·H2O+zNH3
在整個氮化過程中，氨容易擴散進入細直徑的纖維而形成加成絡合物，然後進一步與氨反應釋放出水。隨著反應的進行，纖維的含氮量增加，在纖維的外層形成一層緻密的氮化硼，未氮化的B2O3在高溫下成熔融狀態向外層遷移，在纖維內部留下裂紋和空洞，使纖維性能降低。因此，在氮化硼纖維的製造過程中，必須選擇最佳的升溫速率及反應時間，以防止纖維熔融並控制氮化速率。在任何給定的溫度下，反應都會達到平衡狀態，當溫度超過600℃時，開始形成三維層狀物，繼續在高溫下加熱，會導致石墨化結構的生長和完善，當溫度超過1800℃時，氧化硼纖維完全轉化為氮化硼纖維。
有機先驅體轉化法製備氮化硼纖維是以含有B-N主鍵結構的聚合物為先驅體，經熔融紡絲及交聯後經高溫（1800℃）處理獲得氮化硼纖維。以有機先驅體出發製備氮化硼纖維，先驅體可根據目標產物的結構和性能要求，進行先驅體分子結構設計，通過改變分子結構和組成得到性能不同的氮化硼纖維。
特性
氮化硼的結構類似於石墨，而氮化硼的耐氧化性能比石墨優越，石墨纖維在空氣中400℃時氧化性能開始降低，而氮化硼纖維在850℃的空氣中才開始氧化。石墨纖維被氧化時產生氣體，不形成表面的保護層；而氮化硼纖維在氧化過程中具有增重現象，這是因為形成氧化硼保護層，可以防l止深度氧化。在惰性或還原性氣氛中，直到2500℃纖維的性能是穩定的。氮化硼纖維的強度和模量接近於玻璃纖維，但是它的多晶性質使它具有較好的耐腐蝕性能。它的密度為1.4~2.0g/cm，用其製備的複合材料具有輕質高強的特點。氮化硼纖維具有優異的電性能，直到2000℃纖維還具有很好的電絕緣性能，氮化硼纖維還具有很低的介電損耗和介電常數，是耐燒蝕天線窗的理想材料。
由於氮化硼纖維表面上孔隙率很低且呈封閉狀態，纖維很難被樹脂浸潤，氮化硼纖維增強的聚合物基複合材料主要是靠摩擦力而相互作用。
