氮化硼晶體屬六方晶系，結構與石墨相似，性能也有很多相似之處，所以又叫“白石墨”。
基本介紹
- 中文名：氮化硼陶瓷
- 外文名：Boron nitride ceramic
- 實質：六方晶系
- 結構：結構與石墨相似
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簡介
氮化硼晶體屬六方晶系，結構與石墨相似，性能也有很多相似之處，所以又叫“白石墨”。
性能
它有良好的耐熱性、熱穩定性、導熱性、高溫介電強度，是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。氮化硼的化學穩定性好，能抵抗大部分熔融金屬的浸蝕。它也有很好的自潤滑性。氮化硼製品的硬度低，可進行機械加工，精度為1/100mm。
製取方法
將B2O3與NH4Cl共熔，或將單質硼在NH3中燃燒均可製得BN。
用途
氮化硼可用於製造熔煉半導體的坩堝及冶金用高溫容器、半導體散熱絕緣零件、高溫軸承、熱電偶套管及玻璃成形模具等。
通常製得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（800Mpa）下可轉變為金剛型氮化硼。這種氮化硼中B－N鍵長（156pm）與金剛石在C－C鍵長（154pm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用於製作鑽頭、磨具和切割工具。
氮化硼
氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體。化學組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼(CBN)和纖鋅礦氮化硼(WBN)。
發展歷史
氮化硼問世於100多年前，最早的套用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼[簡稱：h—BN，或a—BN，或g—BN(即石墨型氮化硼)]，h—BN不僅其結構而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。
氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發現的化合物。國外對BN材料從第二次世界大戰後進行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法後才發展起來的。美國金剛石公司和聯合碳公司首先投入了生產，1960年已生產10噸以上。
1957年R·H·Wentrof率先試製成功CBN，1969年美國通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國宣布製成CBN刀具。
1975年日本從美國引進技術也製備了CBN刀具。
1979年Sokolowski卜引首次成功採用脈衝電漿技術在低溫低壓卜製備崩c—BN薄膜。
20世紀90年代末，人們已能夠運用多種物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)的方法製備c—BN薄膜。
從中國國內看,發展突飛猛進，1963年開始BN粉末的研究,1966年研製成功，1967年投入生產並套用於我國工業和尖端技術之中。
理化性質
物質特性
CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結構，具有良好的導熱性。硬度僅次於金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。
氮化硼具有抗化學侵蝕性質，不被無機酸和水侵蝕。在熱濃鹼中硼氮鍵被斷開。1200℃以上開始在空氣中氧化。熔點為3000℃，稍低於3000℃時開始升華。真空時約2700℃開始分解。微溶於熱酸，不溶於冷水，相對密度2.25。壓縮強度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差。碳化硼的大部分性能比碳素材料更優。對於六方氮化硼：摩擦係數很低、高溫穩定性很好、耐熱震性很好、強度很高、導熱係數很高、膨脹係數較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。
物質結構
氮化硼六方晶繫結晶，最常見為石墨晶格，也有無定形變體，除了六方晶型以外，碳化硼還有其他晶型，包括：菱方氮化硼(簡稱：r—BN，或稱：三方氮化硼，其結構類似於h—BN，會在h—BN轉化為c—BN的過程中產生)、立方氮化硼[簡稱：c—BN，或|3一BN，或z-BN(即閃鋅礦型氮化硼)，質地非常堅硬]、纖鋅礦型氮化硼(簡稱：w—BN，h—BN高壓下的一種堅硬狀態)。人們甚至還發現像石墨稀一樣的二維氮化硼晶體(類似的還有MoS：二維晶體)。
製作方法
高溫高壓合成法
1957年Wentorf首次人工合成立方BN。在溫度接近或高於1700℃，最低壓強為11～12GPa時，由純六方氮化硼(HBN)直接轉變成立方氮化硼(CBN)。隨後人們發現使用催化劑可大幅度降低轉變溫度和壓力。常用的催化劑為：鹼和鹼土金屬、鹼和鹼土氮化物、鹼土氟代氮化物、硼酸銨鹽和無機氟化物等。其中以硼酸銨鹽作催化劑所需的溫度和壓力最低，在1500℃時所需壓力為5GPa，而在壓力為6GPa時其溫度區間為600～700℃。由此可見，雖然加催化劑可大大降低轉變溫度和壓力，但所需的溫度和壓力還是較高。因而其製備的設備複雜、成本高，其工業套用受到限制。
化學氣相合成法
1979年Sokolowski成功利用脈衝電漿技術在低溫低壓下製備成立方氮化硼(CBN)膜。所用設備簡單，工藝易於實現，因此得到迅速發展。已出現多種氣相沉積方法。傳統來講主要是指熱化學氣相沉積。實驗裝置一般由耐熱石英管和加熱裝置組成，基體既可以通過加熱爐加熱(熱壁CVD)，也可以通過高頻感應加熱(冷壁CVD)。反應氣體在高溫基體表面發生分解，同時發生化學反應沉積成膜，反應氣體有BCl3或B2H4與NH3的混合氣體。
水熱合成法
此方法是在高壓釜里的高溫、高壓反應環境中，採用水作為反應介質，使得通常難溶或不溶的物質溶解，反應還可進行重結晶。水熱技術具有兩個特點，一是其相對低的溫度，二是在封閉容器中進行，避免了組分揮發。作為一種低溫低壓合成方法，被用於在低溫下合成立方氮化硼。
苯熱合成法
作為近年興起的一種低溫納米材料合成方法，苯熱合成受到廣泛關注。苯由於其穩定的共軛結構，是溶劑熱合成的優良溶劑，最近成功地發展成苯熱合成技術，如反應式：
BCl3+Li3N→BN+3LiCl
或BBr3+Li3N→BN+3LiBr
反應溫度只有450℃，苯熱合成技術可以在相對低的溫度和壓力下製備出通常在極端條件下才能製得的、在超高壓下才能存在的亞穩相。這種方法實現了低溫低壓製備立方氮化硼。但是這種方法尚處於實驗研究階段，是一種很有套用潛力的合成方法。
自蔓延技術
利用外部提供必要的能量誘發高放熱化學反應，體系局部發生反應形成化學反應前沿(燃燒波)，化學反應在自身放出熱量的支持下快速進行，燃燒波蔓延整個體系。這種方法雖然是傳統的無機合成方法，但近年才有報導用於氮化硼的合成。
碳熱合成技術
該方法是在碳化矽表面上，以硼酸為原料的，碳為還原劑，氨氣氮化得到氮化硼的方法，所得產物純度很高，對於複合材料的製備具有很大的套用價值。
離子束濺射技術
利用粒子束濺射沉積技術，得到立方氮化硼和六方氮化硼的混合產物。這種方法雖然雜質較少，但是由於反應條件難以控制，因此產物的形態難以控制，對這種方法的研究還有很大的發展潛力。
雷射誘發還原法
用雷射作為外加能源，誘發反應前驅體之間的氧化還原反應，並使B和N結合從而生成氮化硼，但是這種方法得到的也是混合相。
