氮化硼陶瓷材料的发展与应用

摘要：

近年来以陶瓷为主的新型材料发展很快,具有磷片状结构、拥有特殊的物理化学性能的六方晶系的结晶体--氮化硼(BN) 陶瓷是一种是随着宇宙航空和电子工业的发展而发展起来的新兴工业材料,在工业与生产上有着广泛的用途。其应用及新的合成方法成为材料研究领域的热点和前沿问题。本文在简要介绍六方和立方氮化硼结构性能的基础上，就氮化硼的发展及其应用现状阐述了自己的看法。

关键词：氮化硼；陶瓷；合成方法；发展；应用

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842 年被人发现的化合物。国外对BN材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作。直到1955 年解决了BN热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投入了生产,1960年已生产10 吨以上。日本开始每年由美国进口十万美元的BN产品,其后日本有三家公司进行几年的研究,69 年初试制成功,70 年投产,年产3 吨左右。从我国国内看,发展突飞猛进,63 年开始BN粉末的研究,66年研制成功,67 年投入生产并应用于我国工业和尖端技术之中[1]。

1 氮化硼（BN）研究现状

目前对BN的研究主要集中在对其六方相（h-BN）和立方相（c-BN）上的研究。h- BN 具有润滑性，导热性和良好的高温性能。最近的研究表明，c- BN相在常温常压下也处于热力学平衡稳定态[2]。而h-BN的主要应用领域还是作为合成立方氮化硼的原料。立方氮化硼是一种人工合成材料，在许多领域中有应用前景。

从以往的研究中看出，传统的合成方法可分为化学气相沉积方法和高温高压合成方法两大类。其中高温高压方法一般是以六方氮化硼为原料。同时由于立方氮化硼的优异性能，对立方氮化硼合成方法的研究吸引了越来越多科学正作者。各种新的制备方法层出不穷，并且向着低温低压，简便可行的方向发展。近年来，随着纳米技术的兴起和氮化硼陶瓷的应用领域的扩展，纳米氮化硼的合成和应用更成为热点。

2 氮化硼陶瓷的性能概述 

    根据相关工业生产研究得出氮化硼陶瓷具有以下主要物理化学性能：

2.1 热性能:

    BN制品可以在1000℃左右的氧化气氛中和近3000℃的惰性气氛中使用。这是一种比莫来石、氧化铝和碳化硅耐火度高的耐火材料。同时耐热冲击性大,在1500℃时反复进行急冷急热,不产生破裂,很稳定。

2.2 化学稳定性: 

    BN陶瓷同绝大部分金属如溶液铁、铝、铜、硅、砷化钾、黄铜和冰晶石等均不起作用。同矿渣和玻璃也不起变化。可以用来作这一类材料的容器。但是一般含有杂质B2O3的具有吸湿性。如使用过程中急速加热,把吸进的水放出来,容易产生裂缝。为了改善这一缺点可以掺加一些结合剂。

2.3 电性能: 

    由于BN制品介电常数和介电损失都小,可以广泛地用于高频范围和低频范围内。它的介电强度(即击穿电压) 950 v/ cm2,即是氧化铝的4.5 倍。介电常数为4,是氧化铝的二分之一。它的电性能,同石墨相差很大,同氧化物陶瓷一样在高温下无导电性,是一种可以在较大温度范围内使用的电绝缘材料。

2.4 机械加工性能: 

    BN陶瓷莫氏硬度为二。可以在车床、铣床等加工设备上加工。可以加工成薄片和螺旋体及各种形状复杂的零件。国外BN 制品可以加工精确度达百分之一毫米的程度。薄板厚度可达0.4一0.6 毫米,并可钻孔。机械强度:BN 机械强度低,室温下比石墨优越,但较氧化物陶瓷脆性高。

2.5 润滑性: 

    BN粉末为六方晶系晶体,是一种白色薄片状的微细材料,同石墨类似,俗称白石墨,润滑优良。

2.6 轻质: 

    BN是陶瓷材料中重量较小的材料。理论密度:2.27g/cm3。

2.7 对中子吸收的性质: 

    BN对中子吸收断面大。

   当然，除此之外还有其他方面的性能，在此不再作详细介绍

3 氮化硼陶瓷的应用

3.1六方相氮化硼

六方相氮化硼有“白石墨”之称，因为它具有类似于石墨的层状晶体结构，也具有与石墨相似的物理化学性能，例如良好润滑性和导热性。h-BN常用来作为烧结陶瓷的材料。h-BN 结构陶瓷因为其热导率高、电绝缘性能好、热膨胀系数低、以及和大多数金属的不浸润性，所以在高温绝缘部件、原子能、冶金、航空等领域得到了广泛的应用[3]。作为合成立方氮化硼的原料，由于立方氮化硼为理论的低温稳定相，它的的优越性能更具吸引力，所以人们经常采用六方氮化硼合成立方相氮化硼。

3.2 立方氮化硼

     立方氮化硼利用其高硬度(硬度仅次于金刚石)、高热稳定性和高温化学惰性，目前主要被用做超硬磨削材料。立方氮化硼磨具具有十分优异的磨削性能，不仅能完成难磨材料的加工、提高生产率，有效提高工件磨削质量，还能严格控制工件的形状和尺寸，提高磨后工件的表面完整性，因而提高零件的疲劳强度，延长使用寿命[4]。并且这种磨料的生产过程能源消耗少和环境污染小，所以氮化硼磨料、磨具的生产和应用在机械工业行业得到很好的发展。立方氮化硼的这些特殊的性质使人们首先想到用它来加工含有铁族元素金属及其合金的磨削材料。

另外，立方氮化硼还是一种良好的半导体材料，导热性高等特性使其为目前使用温度最高的半导体材料。这些特性使其在微电子、光电子等领域有广阔的应用前景。氮化硼材料作为一种先进的陶瓷材料，兼备了多种优良性能，如耐高温、高导热、高绝缘、可机械加工、润滑、无毒等，同时具有很强的中子吸收能力。因此，这种新型无机材料将在冶金、化工、机械、电子、航空航天等军事工程、和工业生产中有广阔的应用前景。

利用氮化硼的耐高温、电绝缘性，h-BN 制品可以用来制作等离子体焊接工具的高温绝缘部件、多种加热器的衬套、宇宙飞船的热屏蔽材料等。加上高导热性，可以制作煤矿井下防爆电机绝缘散热片、高温热电偶保护套管。利用 h-BN 对玻璃、金属熔体不润湿性和耐侵蚀性，可以用作特殊冶炼中熔炼多种有色金属、贵金属和稀有金属的器皿、坩埚、输送泵等部件。

    此外，立方氮化硼还具有高导热性和良好的半导体特性等，是目前使用温度最高的半导体材料[5]，这些特性使其在光电子、微电子等领域有广阔的应用前景。

    BN 陶瓷熔融管的耐蚀性、耐热性、耐热冲击性和高温强度都很高,而且能够加工成复杂形状,可用来做各种熔融体的加工材料及玻璃成型用的器具,热电偶保护管和压铸模。

3.3氮化硼在其他方面的应用

氮化硼除了上述性质外,在高温下不会软化和变形,可以用做高温炉材,柑涡和舟皿,特别是磁流体发电装置和等离子喷射气流炉,要求材料有很大的耐热冲击性和电绝缘性,在这方面BN是一种优良的材料。

氮化硼的导热性也很好,可以用做高频电绝缘材料、集成电路用的散热片和离子火箭的配件喷咀等。这些物件形状复杂,加工精度要求较高,加工性能优良的BN能充分的满足要求。氮化硼的耐高压点高、电阻高和具有良好的介电性质,可用来做超高压电线的绝缘材料。

它对微波和红外线是透明的,可做透红外线和微波材料[6]。氮化硼粉末和制品都有良好的润滑性,将BN粉末填充在氟树脂中用于机械密封。还可以做金属和陶瓷的填料,制成轴承。氮化硼粉末也可以掺加硅润滑油中使用。在BN中硼的含量为43.6%(重量)而硼对中子的吸收断面大。因此BN可以同各种塑料石墨混合使用,做原子反应堆的屏蔽材料。BN 在超高压下性能比较稳定,可以用做压力传递材料,试料容器等。还有一种立方晶系氮化硼,据国外报导,一九六一年由美国通用电气公司研究成功,并供应于市场。立方晶系的氮化硼具有与金刚石同样的硬度,而高温耐氧化性能比金刚石好。

   现在可采用消耗型热电偶测量连铸中间罐内钢水温度,但考虑到喷溅等安全因素以及实现自动化装置的复杂性,因而研制利用氮化硼作保护管的新型钢水温度计用氮化硼作保护管在连铸中间罐内应用的钢水温度计的研制[7]。

   氮化硼陶瓷的热稳定性和介电性能优异，是为数不多的分解温度能达到的化合物之一，在很宽的温度范围内具有极好的热性能和电性能的稳定性( 如上表所示)，然而，由于这种陶瓷强度硬度弹性模偏低，热导率高，抗雨蚀性不足，且难以制成较大形状构件，因此单相的BN陶瓷在天线罩上尚未得到真正应用[8]。

4 结论

    作为一种先进的陶瓷材料，氮化硼以其优越的力学性能，受到材料研究领域的广泛青睐。但是由于目前的合成方法条件苛刻，这从一定程度上影响了氮化硼的应用。因此，新的氮化硼的合成方法成为氮化硼研究的热点。同时随着纳米材料研究的日益深入，对纳米氮化硼的研究成为大势所趋。因此氮化硼合成的研究日益向着低温低压（LTLP）及纳米化的方向发展。而目前的研究方法多把选择优良的反应前驱体，控制反应条件作为合成研究的焦点。通过选择优良的反应前驱体，利用其热力学性质，降低外界诱发温度及反应温度，并能够较好的控制产物的形态，而通过选择适当的反应过程，和控制反应条件，也可以控制产物的形态及颗粒大小。