BN合成方法的讨论完善版

BN合成方法的讨论
摘要：氮化硼是一种集多种优异功能于一身的多功能材料。

由于具有高稳定性、高耐热性、强耐腐蚀能力、高硬度以及宽带隙特点，在工业生产中，常被用来做耐高温的材料，同时也被用作优良的绝缘材料，在半导体光电子器件的研制、特种高通透窗口、超硬防护涂层研制等方面具有十分广阔的应用前景，倍受材料科研工作者和产业界的关注。

就是这样一种在化工方面有着重要影响的材料，一种最切合实际的合成方法可能带来的不仅仅是企业高涨的利润，更可能加快氮化硼的研发与生产步伐，带来的是科技水平的提高乃至领先和整个国家硼工业的巨大进步。

在对氮化硼材料的合成、应用等方面的发展现状进行充分调研的基础上，本文作者将从反应方向、原料价格以及环保等方面综合考虑，集中从三个反应
1.用单质硼与氮气反应；
2.用三氯化硼与氨气反应；
3.用三氧化二硼和氨气反应
中讨论并给出最切合实际的方法。

关键词：BN合成方法；切合实际；反应方向；原料价格；环保；
氮化硼是人工合成材料，尽管在19世纪早期已被合成出来，但直到20世纪的后半叶才开始发展成为一个被广泛应用的材料。

硼和氮在元素周期表中都与碳相邻，氮化硼同碳在晶体结构上展示出相近的性质。

其中氮化硼存在六方和立方两种晶形。

通常制得的氮化硼是石墨型层状结构，即六方氮化硼(缩写为h-BN)，主要是因为其的优良特性。

六方氮化硼具有优良的耐腐蚀性能，几乎对所有的有机溶剂：四氯化碳、95％乙醇、汽油、苯、丙酮以及腐蚀性化学物质：浓硫酸、浓硝酸、浓磷酸、盐酸、20％氢氧化钠以及稀硫酸都是稳定地。

六方氮化硼对几乎所有熔融金属都无作用。

在氧存在下达1000℃是稳定的，在惰性气体中3000℃仍是稳定的,因此六方晶体氮化硼在高温作为容器材料或者作为高电压电
阻绝缘材料,具有广泛的应用领域;。

六方氮化硼有极好的润滑性能，在热压成形后，氮化硼很容易使用常规金属切削技术进行加工，因此由氮化硼坯料可以得到具有复杂形状的制品。

它可以阻止表面被氧化，且h-BN不被大多数的熔融金属、玻璃和盐所润湿，因此具有很高的抗化学腐蚀，有良好的化学惰性。

它还具有高介质击穿强度、高体积电阻系数等特点，基于这一系列优点，其于化工业中有着较重要的影响。

目前国内外氮化硼的生产状况差距很大，我国的六方氮化硼工业目前与国外先进水平相比，处于一个比较低的水平，其产品质量及品种均不及国外大公司的水平。

国内的氮化硼应用正处于一个上升的阶段，其用量在持续攀升，对产品的质量及规格有着比以前更严格的要求。

生产厂商应抓住这个机遇，加快氮化硼的研发与生产步伐，使六方氮化硼工业在以前
的基础上有更好的发展，为我国的硼工业的发展做出自己的贡献。

也希望作者的这一篇论文能够给生产厂家一点启示。

自1842年以来，对于六方氮化硼的制备方法，很多国家进行了大量研究工作，相继出现了多种方法，从化学式上看均有硼原料（HBO3，B2O3，Na2B4O7·10H2O，BCl3，BF3，B2H6）和含氮原料[(NH2)2CO，NH4CL，Nan]，在N2或NH3气氛中反应，而制得BN，制备方法虽然较多，但理想的方法并不多。

六方氮化硼的合成总是由含硼化合物及含氮化合物在高温下进行反应，生成六方氮化硼
本文将集中论述以下三种方法：
1.用单质硼与氮气反应B(s)+1/2N2（g）=BN(s)
2.用三氯化硼与氨气反应BCl3（g）+NH3（g）= BN(s)+3HCl（g）；
3.用三氧化二硼和氨气反应B2O3(s)+ 2NH3（g）=2BN(s)+3H2O（g）
那么哪一种是最切合实际生产的呢？
反应方向
对于一个化学反应，我们首先考虑的是反应能否发生，在何种条件下发生。

查阅工科大学化学，经过有关计算知道三个反应的标准焓变分别是“—228.4KJ/mol” “—109.1KJ/mol” “+58.3KJ/mol”，三个反应的的标准熵变分别是“—86.8J/mol” “92.77J/mol” “157.1J/mol”，由此，可以通过计算三个反应的标准吉布斯函数变（公式：吉布斯函数变等于反应焓变减去T乘以相应的熵变的差，T为常温278K）得到三个反应正向发生各所需要的温度，分别是低于2631K，任何温度，和高于371K。

从表面看方法2是最佳的。

但这只是从化学热力学角度分析这个问题，只是考虑问题的一方面。

一个反应除了看其能否反应，还要考虑该反应的反应速率。

这就需要我们从化学动力学角度来分析。

而且对于工业生产来说，产物生成速率是个极其重要的。

一般工业生产中为了加快正向反应速率，都会适当升温，一方面让反应随着温度升高而加快反应，另一方面也可以让催化剂达到最佳反应状态。

从这样分析，三个反应其实实际控制温度差别不大。

考虑到方案1中原料为N2，而其又是惰性气体，化学性质不活泼，很难实现其大部分而其快速反应，所以在实际生产中方案1基本上不采用。

方案2、3有待进一步考虑。

原料价格
首先对方案2进行分析。

方案 2是工业中较少用的，即用气相沉积技术（CVD）生产的氮化硼粉末及制品，虽然其产品纯度是所有工业规模生产方法中最高的，可以达到99.9％以上，但是其生产成本太高，大多数企业承担不起，仅适用于有些特殊方面的要求。

在对氮化硼合成所需材料的市场价格调查后，得到如下数据：单质硼的价格为10000元/t，三氧化二硼为18500元/t，氮气为5000元/t，氨气为167000元/t，而产品氮化硼由于市场竞争激烈，市场价格降为260000/t。

先看方法1、3，由已有数据知第一种方法的利润空间为247500元/t （这里没有考虑设备损耗与维护和所需投入的人力薪金），第三种的为167500（同1）.表层上可能认为方案1利润最高，所以是最好的。

但之前作者已经简单论述过其的不可行性。

在实际生产中企业常常不是只单一的做同一种产品，其产业结构一般都有几条产业链。

我们看到方案2、3中原料有氨气。

而氨已经作为一种工业存在，可见其重要性与普遍性，所以考虑到企业拥有一个氨气工业一体化的产业链，那么不仅解决了氨气的制备时的购买成本问题，解决了其的后续处理问题，还由此获得其他额外的利润。

所以在这里考虑原料成本与利润时，方案3胜出。

但仍需继续考证其他方面。

环保
现在企业生产不得不考虑其生态损耗，不得不把环保清洁生产放在一个重要位置。

我们可以看到方法2需要用到原材料三氯化硼，而三氯化硼为无色发烟液体或气体，不燃，有刺激性、酸性气味。

遇水分解生成氯化氢和硼酸,并放出大量热量,在湿空气中因水解而生成烟雾，且三氯化硼反应能力较强，在大气中,三氯化硼加热能和玻璃、陶瓷起反应,也能和许多有机物反应形成各种有机硼化合物。

而三氯化硼对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道有强烈的腐蚀作用。

吸入后可因喉、支气管的痉挛、水肿，化学性肺炎、肺水肿而致死。

中毒表现有烧灼感、咳嗽、喘息、喉炎、气短、头痛、恶心和呕吐。

为保障基本人身安全，这就要求使用三氯化硼生产氮化硼的厂家其生产车间保持一个干燥整洁的环境，在进行制备过程中不能为了加快正向反应进行速率而盲目升高温度，这样很容易让活泼的三氯化硼与室内玻璃、陶瓷起反应。

而且其产物氯化氢的处理也是一个不得不面对的难题。

重要的是，对于企业而言，要维持一个乃至几个生产空间的干燥整洁状态并不是件容易事，这意味着企业需投入大量的人力财力于环保中，这也减小了企业的利润空间，缩小了发展的生存空间。

对于工厂里另一个反应原料氨气而言，我们有理由相信这个问题可以较好的解决，因之我们氨工业的较完善，但这多少总是有点不好，不利于环保。

众所周知氨气是无色有刺激性恶臭味的有毒气体。

短期内吸入大量氨气后可让人流泪、咽痛呼吸困难、头痛、恶心、呕吐、乏力等,严重者可发生肺水肿，支气管粘膜坏死脱落致窒息。

高风险的安全隐患一定程度上制约着该工艺流程的发展。

方案1表现出来的安全优势不得不吸引着我们的眼球。

而且其原子利用率达到100%，符合
现代绿色化学要求。

在单从环保的角度，我们可以一致地给方案1投上一票。

作者在上面论述过方案1，知其不可为。

所以相对地来看方案3胜出。

综上所述，作者得出以下论点看法：在以上3种方案的论证比较中，相对的第3种方案是最好的。

因其反应速率较快，且反应温度易满足，加上较大的利润空间以及绿色环保的优势，方案3最适用于工业实际生产。

参考文献：1.山东大学房伟博士论文《软化学方法中低温合成BN的物相控制研究》 2006
2.氮化硼百度百科
3.司徒杰生《无机盐工业》 1987年第01期
4.阿考《塑料新型导热功能填料—六方氮化硼微晶粉》 2011。