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六方氮化硼:工业界的“宝藏单品”,涉略多个领域!

信息来源:本站 | 发布日期: 2024-05-23 09:38:49 | 浏览量:48708

摘要:

六方氮化硼(以下简称h-BN)具有一系列优异的特性,其作为一种主要的结构陶瓷材料,已在多个领域获得成功应用。而随着研究的广泛开展,h-BN的功能特性也被逐渐开发出来,在新能源、电子等领域具有广阔的应用前景。此外,对于具有结构功能一体化要求的某些苛刻服役环境,h…

六方氮化硼(以下简称h-BN)具有一系列优异的特性,其作为一种主要的结构陶瓷材料,已在多个领域获得成功应用。而随着研究的广泛开展,h-BN的功能特性也被逐渐开发出来,在新能源、电子等领域具有广阔的应用前景。此外,对于具有结构功能一体化要求的某些苛刻服役环境,h-BN也是一种理想的候选材料。




六方氮化硼的特性分析


① 热学性能

h-BN具有良好的高温稳定性,在标准大气压下无明显熔点,在3000℃以上发生升华。在氮气或氩气中h-BN的耐热温度可达到2800℃不发生软化,在中性还原气氛中耐热温度也可达2000℃;但其在氧气气氛中易发生氧化生成低熔点的氧化硼,导致其稳定性较差,使用温度一般在900℃以下。

h-BN具有优良的导热性,热压致密块体陶瓷的室温热导率可达50W/(m·K)以上,在陶瓷材料中仅次于氧化铍和氮化铝,与钢铁的热导率接近。值得指出的是,h-BN陶瓷的热导率随温度上升而下降的趋势不大,在600℃以上时,其热导率高于BeO,在1000℃时垂直c轴排列方向的热导率约为27W/(m·K)高于绝大部分电绝缘体(热烧结的h-BN存在织构特征,导致不同方向的性能有差异)。如果通过向其中添加烧结助剂、改性相等来提高h-BN基复相陶瓷的致密度,其热导率可望得到进一步的提高。

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▲氮化硼陶瓷

h-BN陶瓷的热膨胀系数也相对较低,对于烧结后不存在明显织构的块体陶瓷,其热膨胀系数为(2.5~4)10-6K-1。但对于存在明显晶粒择优取向排列的织构h-BN陶瓷,其沿垂直于c轴排列方向的热膨胀系数一般小于1x10-6K-1而平行于c轴排列方向的热膨胀系数则显著增大,可达10X10-6K-1以上,两者相差可达10余倍。

基于较高的热导率、较低的热膨胀系数和弹性模量,h-BN陶瓷具有优异的抗热冲击性能,材料经受反复强烈热震后也能保持不被破坏。热压h-BN陶瓷;试样在1000℃高温环境中保温20min后,立即移人空气中冷却或用风扇冷却至室温,再送回高温环境中,如此反复循环数百次仍可保持材料不发生开裂破坏,只是强度略有降低。

② 电学性能

h-BN是良好的室温和高温电绝缘体。在干燥环境下,高纯度h-BN陶瓷电阻率可达1016~1018cm,即使在1000℃电阻率仍可保持在1016~1018cm,但随着湿度的增加,h-BN的电阻率会有所下降;h-BN具有很高的击穿电压,可达30~40kV/mm,因此其是作为高频绝缘、高绝缘、高温绝缘的理想候选材料;h-BN的介电常数e值为3~5,介电损为(2~8)10-4,这在陶瓷材料中也是比较小的。

③ 化学性能

h-BN具有优异的化学稳定性,不溶于冷水,在沸水中水解非常缓慢并产生少量的硼酸和氨。h-BN对各种无机酸、碱、盐溶液及有机剂均有相当的抗腐蚀能力,在大多数酸、碱中都具有极好的稳定性,在室温下与弱酸和强碱均不起反应,在浓硫酸、硝酸、磷酸等溶液中浸泡7天的试样质量损失率均小于10%,微济于热酸,用熔融的氢氧化钠(NaOH)、氧化钾(KOH)等处理后才能发生分解。此外,h-BN对大多数金属和玻璃的高温熔体既不润湿也不发生反应因此其可作为熔制各种金属的理想堆塌材料。




六方氮化硼的应用


① 航空航天领域

h-BN具有高的热稳定性和低的介电损耗,是适合于制造高温天线罩/窗的材料之一。尽管其存在硬度低、抗雨蚀能力差等问题,但通过采用氮化硅、氧化硅等对h-BN陶瓷进行复合化,在改进烧结特性的同时还可以兼具各成分的优势,能够满足高马赫数飞行条件下天线罩/窗构件对于防热、承载、透波等多种复杂性能的要求。

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针对可应用于卫星和深空探测器姿态控制、轨道插入、转移、保持等飞行任务的霍尔电推进器,其关键部件喷管材料要求具有良好的耐热、抗循环热震、高温电绝缘、抗离子溅射侵蚀性能,以及适宜的二次电子发射系数,h-BN陶瓷是最为合适的制备喷管构件的材料。俄罗斯、日本、美国以及欧盟都已在霍尔电推进器h-BN系列陶瓷喷管材料的研究方面开展了大量的工作,并在相关航天飞行器上获得成功应用,我国也在相关型号卫星等航天飞行器上完成了霍尔电推进器及其喷管构件的空间在轨实验验证。

② 冶金行业

h-BN及其复相陶瓷一直以来被大量作为高温耐火材料应用,如TiB-AIN-BN复相陶瓷蒸发舟、SigN-BN分离环、特种金属高温电解槽、高温塌、铸造用型壳等。随着研究的深人以及应用需求的扩展,该系列陶瓷材料的性能有了较大程度的改进,应用领域也日益拓宽。

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▲导电陶瓷蒸发舟

薄带连铸技术是一种新型的薄带钢生产工艺,与传统热轧工艺相比,具有设备投资少、生产工序简单、能耗小、产品成本低等优点。侧封板是为了能在铸辑之间形成液态金属熔池而在铸辊两端添加的重要防漏装置,它能起到约束金属液体、促进薄带成型、保证薄带边缘质量等作用,其要求材料具有良好的抗热震、抗钢水侵蚀、高温体积稳定、与钢水不浸润等特性以及适宜的耐磨性能。经历了传统耐火材料、熔融石英(fusedquartz)氧化锆等多种材质后,h-BN已被公认为是最有潜力的材料。日本、美国、俄罗斯、德国等冶金技术强国均对h-BN复相陶瓷侧封板进行了系统的研究,形成了SiAlON-BN、SiN-BN、AIN-BNZrO2--BN等多个系列材料,我国相关研究机构也已完成模拟工况条件下的实验测试

③ 电子行业

h-BN具有高绝缘、高导热等特性,在电子电路中可以作为散热管理器件使用。将化学气相沉积或者液相剥离法制备的单层或少层h-BN纳米材料应用到芯片表面时,既可以起到保护作用,还可以利用其特殊的二维结构所带来的优异横向传热能力,将高功率电子器件的局部热点热量迅速沿横向传开,降低局部最高温度,从而提升器件的寿命及可靠性。此外,h-BN粉体还是一种理想的高分子填料,将其加人树脂、橡胶、塑料等材料中,可提高热导率并改善绝缘特性,这对于高分子材料在柔性电子器件中的应用具有重要作用。

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▲石墨散热膜&氮化硼散热膜

近些年,随着石墨烯研究的逐年升温,二维氮化硼纳米片也受到了广泛关注由于两者的结构相似但电学性质迥异,将它们逐层相间排列,可构成高质量的平面异质结,其具有晶格失配小、载流子迁移率高、带隙宽度可调等特点,在微纳米结构的高频晶体管和光电子器件等方面具有广阔的应用前景。

④ 其他领域

h-BN在其他领域也具有广泛的应用:

● 含硼的化合物具有一定的防中子辐射特性,h-BN也可用于防止中子辐照的包装材料、原子反应堆的结构部件等;

● h-BN的耐高温、化学稳定及良好高温润滑特性,使其可应用于高温润滑剂或模具的脱模剂、熔体的防黏剂中等;

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▲珠光效果氮化硼粉体

● 高纯度的h-BN附着力好,质感柔软润滑,比传统的化妆品粉末(如滑石粉、云母等)的摩擦系数更低,可用作高端化妆品如粉饼、口红、唇彩、皮肤护理品等产品的填料;

● 最近的研究表明,h-BN的各种形态可以通过一些自由基的形成引发或催化一系列反应,包括乙炔氯化反应和丙烷脱氢反应,因此其既可作为催化剂的载体,还可以通过掺杂、修饰等手段将其直接应用于催化反应之中,表现出良好的应用潜力。

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