氮化硼的神奇之旅：从白石墨到钻石挑战者

氮化硼，这种由氮原子和硼原子以1:1比例组成的化合物，其化学式为BN。它和碳是电子等价物，也因此拥有多种同质异形体。氮化硼的两大明星形态分别是六方氮化硼（α-BN）和立方氮化硼（β-BN）。前者结构类似于石墨，是绝佳的润滑剂，而后者结构与钻石相似，硬度仅次于金刚石，但其耐高温性能却优于钻石。

六方氮化硼：白石墨的魅力

六方氮化硼（hexagonal boron nitride，简称h-BN或α-BN），因其结构类似石墨，又被称为“白石墨”。它由许多六边形薄片层叠组成，这些薄片之间的关系并不规则。由于硼原子在氮原子上，使得这些原子排列成椭圆形，这样的结构反映了硼-氮链的极性。h-BN在各类氮化硼形态中应用最广泛。

h-BN的奇妙之处在于其低共价性质，使其成为一种导电性较低的半金属。在极低或极高温度下（甚至高达900°C），它仍是出色的润滑剂，特别是在石墨的导电性或化学反应造成问题时。因其润滑机制不涉及层间水分子，h-BN在真空环境下，如太空作业中也同样出色。

此外，h-BN在空气中高达1000°C、真空中1400°C及惰性气体中2800°C都能保持稳定，是导热性绝佳的绝缘体。它几乎不与大多数物质发生化学反应，也不会被铝、铜、铁等多种熔融金属润湿。其细颗粒被用于化妆品、颜料、补牙剂和铅笔芯。

六方氮化硼的制造

h-BN可以通过三氯化硼与氮化或氨解反应制成。其制品通过加热加压以及机械加工而成，因硬度与石墨相当，加工成本较低。氮化硼薄膜可由三氯化硼和氮的化学气相沉积形成。工业生产主要基于两个化学反应：熔化的硼酸与氨，或硼酸或碱性硼化物与尿素等有机氮化合物反应。生产超细氮化硼润滑剂和碳粉需要在氮气中以5500°C高温燃烧硼粉末。

氮化硼纤维：白碳纤维的诞生

六方氮化硼可以制成纤维，因其结构与碳纤维相似，又称“白碳纤维”。这种纤维通过环硼氮烷纤维在1800°C下热分解制成。氮化硼纤维可用于增强复合材料，基质材料包括有机树脂、陶瓷与金属。

w-氮化硼：高压下的超硬形态

w-氮化硼是六方氮化硼在高压下形成的一种超硬形态，结构类似纤维锌矿，与石墨的层状结构不同。

立方氮化硼：钻石的硬度挑战者

立方氮化硼（cubic boron nitride，简称c-BN或β-BN），其结构与钻石相似，显微硬度仅次于钻石。它是一种绝佳的导热体，同时也是出色的绝缘体，广泛用于工业钻磨工具。

c-BN在1150°C以下不与铁系金属反应，而钻石在700°C时就会溶解于铁中，导致刃具迅速磨损。因此，c-BN特别适合加工钢铁材料，尤其是淬硬钢、冷硬钢等难加工材料。多晶体c-BN钻磨工具常用于机械钢铁加工，而钻石工具则多用于铝合金、陶瓷和玻璃。

立方氮化硼的制造

c-BN的制备类似于人造钻石，通过在高温高压下处理六方氮化硼而成。直接转换需要1800万帕的压力和1730-3230°C的温度，添加少量氧化硼可将压力降至400-700万帕，温度降至1500°C。工业上使用催化法转化氮化硼，不同的催化剂如锂、铂或镁等会用在不同生产方法中。

c-BN薄膜可通过低压化学气相沉积技术制得，使用三氟化硼选择性蚀刻沉积的六方氮化硼。其他物理气相沉积方法如离子束沉积、等离子增强化学气相沉积等也有所使用。

三方氮化硼：α-BN的“亲戚”

三方氮化硼与六方氮化硼相似，通常在立方氮化硼转化为六方氮化硼过程中产生。

氮化硼，虽然是一种不起眼的化合物，但其多样的结构和应用让它在科学和工业领域占据了重要地位。无论是作为润滑剂还是工业钻磨工具，它都展现出独特的优势和广阔的应用前景。