氮化硼陶瓷的黑化
氮化硼是由氮原子和硼原子组成的晶体。化学成分是43.6%硼和56.4%氮，它有四种不同的品种:六方氮化硼(HBN)、菱形氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。
中文名
氮化硼
外国名字
硼氮化合物
监管信息
未受控制的
化学式
十亿
分子量
24.818
编号系统
卡斯诺。: 10043-11-5
没有。:MFCD00011317
EINECSNo。: 233-136-6
RTECS编号:ED7800000
PubChemNo。: 24855457[1]
发展历史
氮化硼在100多年前问世，最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼。不仅结构而且性能都与石墨非常相似，而且是白色的，所以俗称白石墨。
氮化硼(BN)陶瓷早在1842就被发现了。国外从第二次世界大战以来对BN材料做了大量的研究工作，直到1955解决了BN的热压法才发展起来。美国金刚石公司和联合炭素公司率先投产，在1960年，已生产10多吨。
1957年，R. H. Wentrof率先试制成功CBN。1969美国通用电气公司以Borazon出售，1973美国宣布做了CBN工具。[2]
1975年，日本从美国引进技术，还准备了CBN工具。
在1979中，首次利用低温低压脉冲等离子体技术成功制备了塌陷的C-BN薄膜。
20世纪90年代末，人们已经能够通过各种物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法制备c-BN薄膜。
从中国国内来看，发展突飞猛进。BN粉的研究始于1963，1966研制成功。于1967年投产并应用于中国工业和尖端技术。
理化性质
材料特性
CBN通常为黑色、棕色或暗红色晶体，具有闪锌矿结构，导热性好。硬度仅次于金刚石，是一种超硬材料，常用作工具材料和磨料。[3]
氮化硼具有耐化学腐蚀性，不会被无机酸和水腐蚀。硼氮键在热浓碱中断裂。在1200℃以上的空气中开始氧化。在真空中，分解大约在2700℃开始。微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.29。抗压强度为170MPa。在氧化性气氛中最高使用温度为900℃，在非活性还原性气氛中可达2800℃，但在室温下润滑性能较差。氮化硼的大部分性能优于碳材料。对于六方氮化硼:低摩擦系数、良好的高温稳定性、良好的抗热震性、高强度、高热导率、低膨胀系数、高电阻率、耐腐蚀、透微波或红外。
材料结构
氮化硼的六方晶系是石墨晶格，也有非晶变体。除了六方晶型，氮化硼还有其他晶型，包括菱形氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和纤锌矿氮化硼(w-BN)。人们甚至发现了像石墨一样的二维氮化硼晶体。[4]
生态数据
一般对水有轻微伤害。不要将未稀释的或大量的产品暴露在地下水、水道或污水系统中，未经政府许可，不要将材料排放到周围环境中。[1]
计算化学数据
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无。
2.氢键供体的数量:0
3.氢键受体数量:1
4.可旋转化学键的数量:0
5.互变异构体的数量:无
6.拓扑分子的极性表面积为23.8
7.重原子数:2
8.表面电荷:0
9.复杂度:10
10，同位素原子数:0
11.确定原子立体中心的数目:0。
12，不确定原子立体中心的数目:0
13.确定化学键立体中心的数量:0
14，不确定化学键立体中心数:0
15，* * *价键单元数:1[1]
制造工艺
通常，氮化硼是石墨结构，俗称白石墨。另一种是金刚石型，类似于石墨转化为金刚石的原理。石墨型氮化硼在高温(1800℃)、高压(8000Mpa)[5~18GPa]下可转变为金刚石型氮化硼。它是一种新型的耐高温超硬材料，用于制造钻头、磨具和刀具。
生产方法
高温高压合成法
1957年，温托夫第一次合成了立方BN。当温度接近或高于1700℃，最低压力为11 ~ 12 GPA时，纯六方氮化硼(HBN)直接转变为立方氮化硼(CBN)。随后，发现通过使用催化剂可以大大降低转变温度和压力。常用的催化剂是碱金属和碱土金属、碱金属和碱土金属氮化物、碱土金属氟化氮化物、硼酸铵和无机氟化物。其中硼酸铵作为催化剂需要的温度和压力最低，1500℃时所需压力为5GPa，6GPa时温度范围为600 ~ 700℃。可以看出，虽然加入催化剂可以大大降低转变温度和压力，但所需的温度和压力仍然很高。因此，其设备复杂，成本高，因此其工业应用受到限制。
化学气相合成法
1979年，Sokolowski利用低温低压脉冲等离子体技术成功制备了立方氮化硼(CBN)薄膜。所用设备简单，工艺容易实现，所以发展很快。出现了多种气相沉积方法。传统上主要指热化学气相沉积。实验装置一般由耐热石英管和加热装置组成。可以通过加热炉(热壁CVD)或高频感应加热(冷壁CVD)来加热衬底。反应气体在高温衬底的表面上分解，同时发生化学反应以沉积薄膜。反应气体包括BCl3或B2H4和NH3的混合气体。
水热法合成
在该方法中，在高压釜中的高温高压反应环境中，使用水作为反应介质，使得通常不溶或不溶的物质溶解，并且反应也可以重结晶。水热技术有两个特点，一是温度相对较低，二是在密闭容器中进行，避免了组分的挥发。作为一种低温低压合成方法，用于低温合成立方氮化硼。
苯热合成
苯热合成作为近年来低温纳米材料的一种新的合成方法，引起了广泛的关注。苯具有稳定的* * *轭结构，是溶剂热合成的优良溶剂。最近，它被成功地发展成一种苯热合成技术，如反应式:
BCl3+Li3N→BN+3LiCl
或者BBr3+Li3N→BN+3LiBr。
反应温度仅为450℃，通常可以在极端条件下制备、只有在超高压下才能存在的亚稳相，可以通过苯热合成技术在相对较低的温度和压力下制备。该方法实现了低温低压下立方氮化硼的制备。但该方法仍处于实验研究阶段，是一种很有应用潜力的合成方法。
自传播技术
利用外界提供的必要能量诱发高放热化学反应，系统的局部反应形成化学反应锋(燃烧波)，化学反应在自身释放的热量支持下迅速进行，燃烧波扩散到整个系统。这种方法虽然是传统的无机合成方法，但对于氮化硼的合成却是近几年才有报道。
碳热合成技术
该方法以硼酸为原料，碳为还原剂，氨气氮化，在碳化硅表面获得氮化硼。所得产品纯度高，对于复合材料的制备具有很大的应用价值。
离子束溅射技术
利用粒子束溅射沉积技术获得了立方氮化硼和六方氮化硼的混合产物。该方法虽然杂质少，但反应条件难以控制，因此产物的形貌难以控制，对该方法的研究具有很大的发展潜力。
激光诱导还原法
利用激光作为外部能源，诱发反应前驱体之间的氧化还原反应，B和N结合生成氮化硼，但这种方法也获得了混合相。[5]
存储方法
氮化硼的储存方法:应储存在通风良好的干燥仓库中，防止受潮。
氮化硼纤维的储存方法:储存在通风良好、干燥的仓库中。空气中氮化硼的最大允许浓度为6毫克/立方米。[1]
技术参数
产品分类
平均粒度(纳米)
比表面积(平方米/克)
体积密度(克/立方厘米)
晶形
颜色
纳米尺度
50
43.6
0.11
六边形
白色
亚微米级
600
9.16
2.30
六边形
白色
应用领域
1.金属成型脱模剂和金属拉丝润滑剂。
2.高温下的特殊电解和电阻材料。
3.高温固体润滑剂、挤压耐磨添加剂、用于生产陶瓷复合材料的添加剂、耐火材料和抗氧化添加剂，特别是在抗熔融金属腐蚀的情况下，热增强添加剂和耐高温绝缘材料。
4.晶体管的热封干燥剂和塑料树脂等聚合物的添加剂。
5.压制成各种形状的氮化硼制品可用作高温、高压、绝缘和散热元件。
6.航空航天中的隔热材料。
7.在催化剂的参与下，经过高温高压处理，可以转化为像金刚石一样坚硬的立方氮化硼。
8.原子反应堆的结构材料。
9.飞机和火箭发动机的喷嘴。
10.高压高频电弧和等离子体电弧的绝缘体。
11.防止中子辐射的包装材料。
12.由氮化硼制成的超硬材料可制成高速切削工具和钻头，用于地质勘探和石油钻探。
13.连铸钢用冶金分离环、非晶铁流道、连铸铝用脱模剂(各种光学玻璃脱模剂)。
14.制作电容器薄膜、显像管、显示器镀铝用蒸发舟。
15.各种保鲜镀铝包装袋等。
16.各种激光防伪镀铝、商标烫金材料、各种香烟标签、啤酒标签、包装盒、香烟包装盒镀铝等。
17.化妆品用作口红的填充物，无毒、润滑、有光泽。
未来前景
由于钢铁材料硬度高，在加工过程中会产生大量的热量。金刚石工具在高温下易分解，易与过渡金属反应，而c-BN材料热稳定性好，不易与铁族金属或合金反应，因此可广泛应用于钢铁制品的精密加工和磨削。C-BN不仅具有优异的耐磨性，还具有优异的耐热性。还可以切割耐热钢、铁合金、淬火钢等。在较高的切削温度下，也能切削高硬度冷轧辊、渗碳淬火材料和刀具磨损严重的硅铝合金。事实上，由c-BN晶体(高温高压合成)烧结体制成的工具和磨料已用于各种硬质合金材料的高速精密加工。
C-BN作为一种宽带隙(带隙为6.4 eV)的半导体材料，具有高热导率、高电阻率、高迁移率、低介电常数和高击穿电场，可以实现双型掺杂，稳定性好。立方氮化硼与金刚石、碳化硅、氮化镓一起被称为继硅、锗、GaAs之后的第三代半导体材料。它们的共同特点是宽带隙，适合在极端条件下制作。与SiC和GaN相比，c-BN和金刚石具有更优异的性能，如更宽的带隙、更高的迁移率、更高的击穿电场、更低的介电常数和更高的热导率。显然，作为一种极端的电子材料，c-BN要优于金刚石。但是，作为半导体材料，金刚石有其致命的弱点，那就是金刚石的N型掺杂非常困难(N型掺杂的电阻率只能达到102ω·cm，远达不到器件标准)，而c-BN可以实现双型掺杂。比如在高温高压合成和薄膜制备过程中，加入Be可以得到P型半导体；n型半导体可以通过添加硫、碳、硅等获得。因此，c-BN是性能最好的第三代半导体材料，不仅可用于制备高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，而且在深紫外发光和探测器方面也有广阔的应用前景。事实上，最早报道高温高压下制作的c-BN发光二极管可以在650℃下工作。在正向偏压下，二极管发出肉眼可见的蓝光。光谱测量表明其最短波长为215 nm(5.8 eV)。C-BN具有与GaAs和Si相近的热膨胀系数、高热导率、低介电常数、良好的绝缘性能和良好的化学稳定性，使其成为集成电路的热沉材料和绝缘涂层。此外，c-BN具有负电子亲和势，可用作冷阴极场发射材料，在大面积平板显示领域具有广阔的应用前景。
在光学应用中，c-BN膜适合作为一些光学元件的表面涂层，特别是作为窗口材料，如硒化锌(ZnSe)和硫化锌(ZnS)，因为它们具有高硬度和从紫外(约200 nm)到远红外的高透射率。此外，它还具有良好的抗热震性和商硬度，有望成为高功率激光器和探测器的理想窗口材料。[6]
氮化硼陶瓷一般具有石墨结构，俗称白石墨。另一种是金刚石型，类似于石墨转化为金刚石的原理。石墨氮化硼在高温(1800)和高压(800Mpa)下可以转化为金刚石氮化硼。氮化硼的B-N键长度(156pm)与金刚石的C-C键长度(154pm)相近，密度与金刚石相近。其硬度与金刚石相当，但耐热性优于金刚石。它是一种新型的耐高温超硬材料，可用于制造钻头、磨具和刀具。摘自:www.sdboaoxcl.comCBN通常为黑色、棕色或暗红色晶体，具有闪锌矿结构，导热性好。硬度仅次于金刚石，是一种超硬材料，常用作工具材料和磨料。材料特性氮化硼陶瓷耐化学侵蚀，不被无机酸和水腐蚀。硼氮键在热浓碱中断裂。1200以上的空气开始氧化。熔点是3000，稍低于这个温度升华就开始了。大约2700开始在真空中分解。微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.25。抗压强度为170MPa。工作温度在氧化气氛中为900度，在非活性还原气氛中为2800度，但在室温下润滑性较差。氮化硼陶瓷的大部分性能优于碳材料。对于六方氮化硼，它具有低摩擦系数、良好的高温稳定性、良好的抗热震性、高强度、高热导率、低膨胀系数、高电阻率、耐腐蚀性和微波或红外透过率。材料结构氮化硼陶瓷为六方晶系结晶，常见石墨晶格和非晶变体。除了六方晶体，碳化硼还有其他的晶型，包括菱形氮化硼(简称R-BN，或三边氮化硼)，其结构类似于H-BN。立方氮化硼c-bn，或3-bn，或z-BN闪锌矿型氮化硼会在h-bn转化为c-BN的过程中产生，具有非常坚硬的质地，纤锌矿型氮化硼w-BN，高压下h-BN的坚硬状态。人们甚至发现了像石墨一样薄的二维氮化硼晶体(类似于MOS二维晶体)。以上是本次分享的全部内容，希望对你有所帮助。更多关于氮化硼陶瓷的信息，请关注本网后续更新。