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氮化硼的神奇之旅:從白石墨到鉆石挑戰者

信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-06-29 08:26:49 | 瀏覽量:16869

摘要:

氮化硼,這種由氮原子和硼原子以1:1比例組成的化合物,其化學(xué)式為BN。它和碳是電子等價(jià)物,也因此擁有多種同質(zhì)異形體。氮化硼的兩大明星形態(tài)分別是六方氮化硼(α-BN)和立方氮化硼(β-BN)。前者結構類(lèi)似于石墨,是絕佳的潤滑劑,而后者結構與鉆石相似,硬度僅次于金剛…

氮化硼,這種由氮原子和硼原子以1:1比例組成的化合物,其化學(xué)式為BN。它和碳是電子等價(jià)物,也因此擁有多種同質(zhì)異形體。氮化硼的兩大明星形態(tài)分別是六方氮化硼(α-BN)和立方氮化硼(β-BN)。前者結構類(lèi)似于石墨,是絕佳的潤滑劑,而后者結構與鉆石相似,硬度僅次于金剛石,但其耐高溫性能卻優(yōu)于鉆石。

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六方氮化硼:白石墨的魅力

六方氮化硼(hexagonal boron nitride,簡(jiǎn)稱(chēng)h-BN或α-BN),因其結構類(lèi)似石墨,又被稱(chēng)為“白石墨”。它由許多六邊形薄片層疊組成,這些薄片之間的關(guān)系并不規則。由于硼原子在氮原子上,使得這些原子排列成橢圓形,這樣的結構反映了硼-氮鏈的極性。h-BN在各類(lèi)氮化硼形態(tài)中應用最廣泛。

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h-BN的奇妙之處在于其低共價(jià)性質(zhì),使其成為一種導電性較低的半金屬。在極低或極高溫度下(甚至高達900°C),它仍是出色的潤滑劑,特別是在石墨的導電性或化學(xué)反應造成問(wèn)題時(shí)。因其潤滑機制不涉及層間水分子,h-BN在真空環(huán)境下,如太空作業(yè)中也同樣出色。

此外,h-BN在空氣中高達1000°C、真空中1400°C及惰性氣體中2800°C都能保持穩定,是導熱性絕佳的絕緣體。它幾乎不與大多數物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應,也不會(huì )被鋁、銅、鐵等多種熔融金屬潤濕。其細顆粒被用于化妝品、顏料、補牙劑和鉛筆芯。

六方氮化硼的制造


h-BN可以通過(guò)三氯化硼與氮化或氨解反應制成。其制品通過(guò)加熱加壓以及機械加工而成,因硬度與石墨相當,加工成本較低。氮化硼薄膜可由三氯化硼和氮的化學(xué)氣相沉積形成。工業(yè)生產(chǎn)主要基于兩個(gè)化學(xué)反應:熔化的硼酸與氨,或硼酸或堿性硼化物與尿素等有機氮化合物反應。生產(chǎn)超細氮化硼潤滑劑和碳粉需要在氮氣中以5500°C高溫燃燒硼粉末。

氮化硼纖維:白碳纖維的誕生


六方氮化硼可以制成纖維,因其結構與碳纖維相似,又稱(chēng)“白碳纖維”。這種纖維通過(guò)環(huán)硼氮烷纖維在1800°C下熱分解制成。氮化硼纖維可用于增強復合材料,基質(zhì)材料包括有機樹(shù)脂、陶瓷與金屬。

w-氮化硼:高壓下的超硬形態(tài)


w-氮化硼是六方氮化硼在高壓下形成的一種超硬形態(tài),結構類(lèi)似纖維鋅礦,與石墨的層狀結構不同。

立方氮化硼:鉆石的硬度挑戰者


立方氮化硼(cubic boron nitride,簡(jiǎn)稱(chēng)c-BN或β-BN),其結構與鉆石相似,顯微硬度僅次于鉆石。它是一種絕佳的導熱體,同時(shí)也是出色的絕緣體,廣泛用于工業(yè)鉆磨工具。

c-BN在1150°C以下不與鐵系金屬反應,而鉆石在700°C時(shí)就會(huì )溶解于鐵中,導致刃具迅速磨損。因此,c-BN特別適合加工鋼鐵材料,尤其是淬硬鋼、冷硬鋼等難加工材料。多晶體c-BN鉆磨工具常用于機械鋼鐵加工,而鉆石工具則多用于鋁合金、陶瓷和玻璃。

立方氮化硼的制造


c-BN的制備類(lèi)似于人造鉆石,通過(guò)在高溫高壓下處理六方氮化硼而成。直接轉換需要1800萬(wàn)帕的壓力和1730-3230°C的溫度,添加少量氧化硼可將壓力降至400-700萬(wàn)帕,溫度降至1500°C。工業(yè)上使用催化法轉化氮化硼,不同的催化劑如鋰、鉑或鎂等會(huì )用在不同生產(chǎn)方法中。

c-BN薄膜可通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)制得,使用三氟化硼選擇性蝕刻沉積的六方氮化硼。其他物理氣相沉積方法如離子束沉積、等離子增強化學(xué)氣相沉積等也有所使用。

三方氮化硼:α-BN的“親戚”


三方氮化硼與六方氮化硼相似,通常在立方氮化硼轉化為六方氮化硼過(guò)程中產(chǎn)生。

氮化硼,雖然是一種不起眼的化合物,但其多樣的結構和應用讓它在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域占據了重要地位。無(wú)論是作為潤滑劑還是工業(yè)鉆磨工具,它都展現出獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。


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