氮化硼

立方氮化硼晶体每一层是按紧密球堆积的原则 构成的，且是同类原子所组成的，由硼原子构成 的单层与由氮原子构成的单层相互交替。 立方氮化硼的制作可由在高温、高压下处理六方 氮化硼而成，就如人造钻石从石墨制成相似。从 六方氮化硼直接转为立方氮化硼的过程需要在18 百万帕的压力和介1730与3230 °C的温度下发生
六方氮化硼是使用最普遍的氮化硼形态，为松散、 润滑、易潮湿的白色粉末，真密度2.29g/cm3.，和 石墨的晶体结构比较相近，为类似石墨的层状结构
六方BN陶瓷的机械强度及其与石墨和 六方 陶瓷的机械强度及其与石墨和Al2O3的对比 陶瓷的机械强度及其与石墨和
HBN 平行方向 抗压强度 /MPa 抗弯强度 /MPa 315 60~80 垂直方向 238 40~50 35~80 15~25 石墨
2．利用六方氮化硼的耐热耐蚀性，可以制造高温构件、火 箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏蔽、磁流件发电机的耐蚀 件等。 3．利用六方氮化硼的绝缘性，广泛应用于高压高频电及等 离子弧的绝缘体以及各种加热器的绝缘子，加热管套管和 高温、高频、高压绝缘散热部件，高频应用电炉的材料。 4．利用六方氮化硼的润滑性，氮化硼作为润滑剂使用时， 它可以分散在耐热润滑脂、水或溶剂中；喷涂在摩擦表面 上，待溶剂挥发而形成干模；填充在树脂、陶瓷、金属表 面层作为耐高温自润滑复合材料。氮化硼悬浮油呈白色或 黄色，因而在纺织机械上不污染纤维制品，可大量用在合 成纤维纺织机械润滑上。
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六方氮化硼的用途
六方氮化硼是一种耐高温、耐腐蚀、高导热率、 高绝缘性以及润滑性能优良的材料，被广泛地应用于 石油、化工、机械、电子、电力、纺织、核工业、 航天等部门。 1．利用六方氮化硼优良的化学稳定性，可用作 熔炼蒸发金属的坩埚、舟皿、液态金属输送管、 火箭喷口、大功率器件底座、熔化金属的管道、 泵零件、铸钢的模具等。
此方法可实现连续生产，提高了生产效率，但在反应 过程中经常出现玻璃相使产量明显降低，且后处理困难， 故需进一步研究其反应机理并改进合成工艺。 硼砂一氯化铵法是制备六方BN粉的传统方法，生产成本 较低，投资少，工艺简单，适合工业生产，但是在反应 过程中原料的反应不完全或生成含C的副产物会导致六方BN 含量不高，合成得到的氮化硼的纯度不高，粒度均匀性差。
（２）用作刀具材料。随着现代制造技术的进步，难 加工材料和各种新型复合材料不断出现，为立方氮化 硼刀具材料的应用提供了广阔的发展间．立方ＢＮ 对 铁族金属及其合金的加工特别有效，从而解决了金刚 石工具难以加工铁族金属及其合金的问题． 立方ＢＮ特别适合于高速切削加工．在实现高速切削 加工时，应充分考虑切削深度和进给量的参数选择。 立方ＢＮ刀具可以高精密切削，已广泛应用于数控机 床，适合高硬度材料的切削加工，特别适合加工以前只 能磨削加工的高硬度难加工材料，实现以车代磨、以铣 代磨，能获得较好的工件表面质量，可以省去退火工序， 大幅度提高生产效率。
（3）化学气相沉积法 ）化学气相沉积法(CVD)
化学气相沉积法法制备六方BN粉一般采用热壁式反应器， 将含B、N的气态原料通过载气导入到一个反应室内，在高温 下气态原料之间发生化学反应生成BN粉，其中硼源普遍采用 BF3、 BBr3等含硼的化合物，氮源一般是NH3 或N2 。例如 以硼酸乙脂和氨气为原料，采用化学气相沉积法在1000℃下 沉积制备六方BN纳米微球。 化学气相沉积法制备的六方BN粉末纯度和球形度都较高， 但在制备过程中需要对多种因素进行精确控制。
氮化硼材料的应用
（１）用作磨具材料 用作磨具材料．小颗粒的立方ＢＮ 单晶主要用作磨 用作磨具材料 具材料．ｃＢＮ磨具是借助于结合剂的作用将立方ＢＮ磨粒 粘结成具有一定几何形状的制品．作为一种超硬材料磨具， 立方ＢＮ磨具用于磨削加工，属于新兴的先进制造技术，既 能用于铁基材料的加工，也能用于非铁金属材料的加工，在 金属材料加工领域的应用范围比金刚石磨具更广．立方氮化 硼磨具对于黑色金属，特别是硬度高、韧性大、高温时强度 高和热传导率低的材料，具有良好的磨削性能，其金属磨除 率是金刚石的１０倍，解决了硬而韧难磨材料的加工问 题．立方氮化硼磨具用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨 削效率大大提高；其磨削精度高，砂轮寿命长，节约了砂轮 更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间
（2）水热合成法 ）
水热合成法是在高压釜里，采用水(或有机溶剂)作为 反应介质，通过对高压釜加热，创造一个高温、高压 反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并反应生成 新的晶体。 首先将金属锂在300 ℃高纯氮气条件下氮化2 h，制备 得到Li，N研磨成粉后备用。将0．03mol BBr 溶于经过 除氧除水的苯中，搅拌10 min取0．06 moL Li N加入到 上述溶液中，经超声分散得到均匀的悬浮液后装入100 mL 反应釜，添加苯使填充率为70％ ，用高纯氮气将釜内空气 排除后封釜。将反应釜放人烘箱加热到220℃保温，保温 一定时间后将反应釜取出并自然冷却至室温，将反应后的 悬浮液离心得到沉淀，接着将沉淀用去离子水洗涤3次， 乙醇洗涤2次，以除去反应生成的LiBr和未反应的原料， 将最终得到的产物在70℃条件下烘干。
氮化硼
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结构与性能
制备与应用
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) 立方氮化硼(CBN) 菱方氮化硼（RBN） 纤锌矿氮化硼(WBN)
氮原子和硼原子采取不同杂化方式互相作用，可 形成不同结构的氮化硼晶体。当氮原子和硼原子以 SP2方式杂化后,由于键角为120O，成键后形成与石 墨类似 的平面六角网状结构分子，这种大的平面网 状分子采取不同的空间堆垛方式后，又可形成不同 的结构--六方氮化硼（HBN）和菱方氮化（RBN）。 当氮原子和硼原子以SP3方式杂化后,由于键角 为109.5O，成键后形成与金刚石类似 的空间网状 结构，形成立方氮化硼（CBN）。
产品等级 特级品 一级品 二级品
主含量 ≥99% ≥98% ≥97%
游离 氧化硼 ≤0.4% ≤0.5% ≤0.5%
粒度 （D50） （μm） 0.5—3.0 0.5—3.0 0.5—3.0
六方氮Βιβλιοθήκη Baidu硼
六方氮化硼，BN,与石墨是等电子体。它具有白 色石墨之称，具有类似石墨的层状结构，有良好 的润滑性、电绝缘性、导热性和耐化学腐蚀性， 具有中子吸收能力。化学性质稳定对所有熔融金 属化学呈惰性，成型制品便于机械加工，有很高 的耐湿性。在氮气压力下熔点为3000℃，在大气 压下与2500℃升华。其理论密度为2.29克/立方厘 米。莫氏硬度2，抗氧温度900℃，耐高温2000℃， 在氮和氩中使用熔点为3000℃。氮化硼是化学惰 性的材料，在氩气气氛下直至2700℃仍是稳定的。
在机械特 拥有不磨蚀、低磨耗、尺寸安全性、润滑性佳、 性方面 耐火及易加工等优点。 在电气特 拥有介电强度佳、低介电常数、高频率下低损耗、 性方面 可微波穿透、良好的电绝缘性等优点。 在热力特 拥有高热传导、高热容量、低热膨胀、抗热冲击、 性方面 高温润滑性及高温安定性等优点。 在化学特 拥有无毒、化学安定性、抗腐蚀、抗氧化、低湿 性方面 润、生物安定性及不沾性等优点。
立方结构的氮化硼硬度略低于金刚石，为HV72000～98000 兆帕,常用作磨料和刀具材料。1957年,美国的R.H.温托夫首 先研制成立方氮化硼。但至今尚未发现天然的立方氮化硼。 立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方 氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～ 1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属 、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体 的截锥、八面体、歪晶和双晶等（如图）。
立方氮化硼的制备方法
立方氮化硼立方BN通常是在静态超高压高温条 件下由六方氮化硼（hBN）直接转变而成的。采用 高温高压方法，以六方氮化硼(hBN)为原料、选用氮 (hBN) 化锂、氢化锂+氮化锂、氢化锂、氢化锂+氨基锂、 氮化锂+氨基锂为触媒，在合适的温度、压力及生长 工艺条件下，分别得到了厚板状、类球形、八面体 或六八面体、扁锥状和片状六边形形貌立方氮化硼 (cBN)晶体。 此方法在高温高压下合成，反应条件苛刻，设备 要求高，故成本高，但可得到不同形貌的cBN晶体。
（３）用作功能材料．随着微电子技术的飞速发展，元器 件组装密度和集成度越来越高，必须克服发热器件的散热 问题．，用高导热性氮化硼可以作为填料制备复合材料于 封装材料，满足高频场合发热元器件的散热需求．用氮化 硼填充硅橡胶制备导热复合材料，随着立方ＢＮ含量的增 加，复合材料的热失重和热膨胀系数明显降低，导热系数 和耐热性升高，但对橡胶的硫化反应影响不大。 立方氮化硼具有高稳定性、高热导率、高硬度以及宽 带隙等一系列优异的性能，使得它在高温大功率半导体器 件研制、短波长和紫外光电子器件制备、热沉材料、切削 和磨削材料、耐高温耐磨防护涂层、高通透高稳定性窗口 研制等方面具有广阔的应用前景。
氮化硼的不同制备方法及比较
六方氮化硼的制备 （1）硼砂--- 氯化铵法 硼砂一氯化铵法是将无水硼砂和氯化铵混合后在 氨气流中加热反应而制得氮化硼粉。其反应方程式为：
Na2B4 07 + 2NH4Cl + 2NH3 →4BN + 2NaCl +7H2O
将氯化铵、硼砂装入混拼机充分混合后，再将混合后的 原料压成5 cm的圆饼，然后整齐装进石墨长管中，两端 密封好后，接上通氨管。再将石墨管插入九孔硅碳棒炉中。 将炉温升到300～600℃，保温2 h，再把炉温升至900℃， 保温4 h停炉降温。在焙烧过程中一定要保持氨气畅通。 当炉温降到500 ℃以下后，可从炉中拔出石墨管，这样可 加速物料冷却，取出反应后的物料放入水洗釜中水洗。 可将副产物主要由氯化钠、未反应的硼砂及三氧化二硼， 利用氮化硼不溶于水的性质和副产物溶于水的性质， 水洗即可除去副产品，可获得粉状的六方氮化硼。
5．六方氮化硼还可用作各种材料的添加剂。由 氮化硼加工制成的氮化硼纤维，为中模数高功 能纤维，是一种无机合成工程材料，可广泛用 于化学工业、纺织工业、宇航技术和其他尖端 工业部门。
立方氮化硼
立方氮化硼具有类似金刚石的晶体结构，不仅 晶格常数相似(金刚石为0.3567nm,立方氮化硼为 0.3615nm),而且晶体中的结合键亦基本相同,即 都 是沿四方面体杂体中的共价键,所不同的是金刚 石中的结合纯属碳原子之间的共价键,而立方氮 化硼晶体中的结合键则是硼、氮异类原子间的共 价结合,此外尚有 一定的弱离子键。在理想的立 方氮化硼晶体中,所有四个B-N键的键长彼此皆相 等(0.157nm) 键与键键的夹角为109.5O 。
Al2O3 1200~1900 220~350
六方BN和其它材料的热性能 六方 和其它材料的热性能
HBN BeO Al2O3 滑石 石英 氟树 ZrO2 瓷 玻璃 脂
900（氧 气） 最高使用 2000 1750 1100 2000 130 温度/℃ 2800（氮 气） 1.67~ 热导率 25.1 255.4 25.1 2.51 2.09 [(w/m.k)] 4.19 热膨胀系 0.7（⊥） 7.8 数/10-6℃-1 7.5（∥） 8.6 8.7 10.0 6.5
BN的生成反应为：
BBr3 + Li3 N → BN + 3 LiBr
同样，采用、白磷和 为原料，通过水热法在300℃ 下可以合成hBN纳米微粉。 水热法的工艺条件相对容易控制，产物粒度可达到 纳米级，均匀性和球形度良好，但产率普遍偏低。以 水为溶剂比较环保，但需要较高的温度，而有机溶剂 可将反应温度显著降低，但是有机溶剂和所用原料不 稳定且有毒，会对环境造成污染。因此选用合适的 溶剂、原料和添加剂来降低反应温度并提高产率将 是以后研究的重点。