氮化硼合成及应用的研究

关于氮化硼合成方案的讨论
摘要：氮化硼是一种耐腐蚀材料，也是一种优良的绝缘材料，强度高，耐腐蚀性好。

在现代工业中，氮化硼已广泛应用在在耐火材料和电子工业中得到广泛的应用。

以下三个反应均可以制备氮化硼：
B(s）+ 1/2N2 (g) = BN(s)；
BCl3(g) + NH3(g) = BN(s)+3HCl(g)；
B2O3（s）+ 2NH3（g）= 2BN(s)+3H2O(g)；
本文将从反应方向、原料价格以及环保等方面综合考虑，对以上三种方式进行比较分析。

关键词：氮化硼；制备方案；反应方向；原料价格；环保
一、氮化硼的分类、性质及应用
1．BN的分类、性质
氮化硼，化学式为BN，有别称“白石墨”，是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料，包括5种异构体，分别是六方氮化硼(h—BN)，纤锌矿氮化硼(w—BN)，三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c．BN)和斜方氮化硼(o．BN) [1]。

常说的氮化硼一般指的是立方氮化硼或六方氮化硼。

1．1六方氮化硼
具有类似石墨的的层状晶体结构，其物理化学性质也与石墨类似，常态时是白色粉末状，呈松散、润滑、易吸潮、质轻等性状。

另外，在导热性、耐高温性、化学稳定性方面也类似石墨。

当然，它的性质与石墨也不尽相同。

例如，氮化硼是一种优良的绝缘材料，而石墨有良好的导电性。

[2]
1．2立方氮化硼
立方氮化硼有优异的物理化学性能，硬度仅次于金刚石，另外还具有很高的强度，在许多领域中有应用前景。

[3]
此外，立方氮化硼是目前使用温度最高的半导体材料，具有高导热性和良好的半导体特性。

但是现有的制备方法又都存在着难于克服的固有缺点，以至于不易使其得到广泛利用。

[3]
2.BN的应用
图表 1 BN的应用
2.1 BN三种合成方案
为了更好地发展材料事业，服务国家建设，需要找到合适的合成方法，才能让这种优良的材料发挥作用，书中介绍给我们了三种不同的方法，分别是：
①用单质硼B和氮气N2反应：
B(s)+1/2N2(g)=BN(s)
②用氯化硼BCl3和氨气NH3反应：
BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)
③用三氧化二硼B2O3和氨气NH3反应：
B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)
现在，我从如下几个方面来讨论一下三种方法的利弊，以及工业中最合适的方法[6]。

2.2反应方向
首先，先从理论上化学反应进行的方向及反应条件讨论。

对于反应①
B(s)+1/2N2(g)=BN(s)
图表 2
经计算，此反应在2600℃以下都可自发进行。

表面上看，反应容易自发进行，但此反应并不易于操作，实验结果表明，将硼粉置于氮气中反应1~2小时，恒温为1000℃时生成BN并不多。

事实上，硼与氮反应较快的温度区间在1050~1350℃，而要反应较为完全，得高品质的氮化硼，需要1550℃以上。

[7]
那么对于反应②
BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)
图表 3
即该反应在任何温度下自发。

但是事实上，反应要在1000K≈726℃以上（一般在900~1000℃）进行。

由于氯化硼是气态，反应是气相进行，为了提高反应产率，要使氨气过量。

若将该反应的温度提高至1600~1900℃，可以得到高纯度的氮化硼。

这个方法可以用来生产氮化硼，但是氯化硼不便存运，而且气相反应不如反应③易操作。

最后讨论反应③
B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)
图表 4
此反应被称为硼酐法，在大于353℃时可自发进行，这个反应所需最低温度并不很高，但是
同上面两个反应，要达到一定的速率和纯度，需要在800~1000℃下进行，由于B2O3熔点较低，会变成高粘度流体，阻碍氨气与其表面反应，故实际中要加入高熔点物质如Ca3(PO4)2作填料。

得到的产物可以在氨气氛围与1400℃以及更高温度下继续纯化，能够得到纯度96%以上的氮化硼。

此方法相比①②，更易于操作，技术要求也更低。

通过上述分析，如果单从化学反应的角度，反应③最容易进行，但是产物纯度不高。

反应②的操作比较复杂，但是纯度要比反应③的要高。

2.3 原料价格
接下来要讨论的是原材料的价格，在经济方面对这三种方法进行比较讨论。

图表5
虽然数据波动较大，但是从上表也能看出，高纯度的单质硼价格十分昂贵，氯化硼相对便宜，而三氧化二硼十分廉价这与它们的制法有关，三氧化二硼是由矿物转化得来，而硼需要由三氧化二硼或者氯化硼制得，所以反应③的成本也十分低廉，而反应①成本就很高，不适合工业化生产。

除了原材料的价格，运输和储藏的成本也应当考虑，硼和三氧化二硼相对易于储运，而氯化硼在这方面的成本就要高不少。

所以综合来看，还是反应③最为合适，可以获得最大的效益。

2.4 环保问题
最后一点，也是非常重要的一点，就是环保问题。

环保问题是社会和工厂十分关注的问题，因此选择低能耗，污染少的方法，不仅有社会效益，有利于可持续发展，更是会带来很大的经济效益。

在氮化硼的合成中，反应①虽然反应物利用率高，但是其能耗非常高，维持高温所消耗的能源，可能会比处理工业三废更需要资金，而提供能源所需用煤、天然气等，也会导致温室效应。

反应②③能耗相对较低，但都伴随有副产物，尤其是反应②，反应物氯化硼既是有毒气体，而副产物氯化氢也是有毒气体，如果处理不当，所产生的污染是比较严重的，不过在实际生产中，会由于氨气过量，产物是氯化铵。

反应③的副产物是水，看似是完全没有污染，不过实际操作还是要用酸冲洗，但是也可以用氨气与其化合成氯化铵以减少污染，此反
应的环保问题在三者中也是最小的。

若考虑对环境的污染最小，选择第三个方法还是比较合适的。

2.5结论
综合上文讨论的结果，反应①的技术难度大，原料昂贵，在工业生产中不适合采用。

反应②额优势就在于产物的纯度比较高，但是技术难度较大，成本也要高于③。

所以对于高纯度有要求的生产，选择这个方法比较合适。

反应③的成本低，技术要求低，反应易发生，而且对环境的污染程度也相对较小，适合工厂大量生产，能获取较大的利益。

所以，在不同情况下，对于各种合成制备方法的选择，将会至关重要，并对我们实现目的产生影响，进一步了解氮化硼的合成方案，让化学材料能够更好地造福于人类。

参考文献
[1].葛雷，杨建，丘泰六方氮化硼的制备方法研究进展,电子元件与材料，2008,27（6）：
22-23
[2].郭胜光，吕波，王积森，宁洪涛，徐庆莘氮化硼合成及应用的研究，山东机械，2004
（6）：1-2
[3].张晓娜关于氮化硼合成的研究，2010: 2-3.
[4].营口硼达精细化工有限公司对于氮化硼的介绍.
[5].保定市中普瑞拓科技有限公司对于氮化硼的介绍.
[6].强亮生，许崇泉工科大学化学，2009: 27-28.
[7].高晓菊，王红洁，张大海反应烧结制备六方氮化硼陶瓷，宇航材料工艺，2009,（1）：
41-42。