立方氮化硼材料应用

      立方氮化硼材料应用

      在100多年前，氮化硼（BN）在贝尔曼的实验室首次被发现，该材料得到较大规模发展是在20世纪50年代后期。氮化硼粉末具有松散、润滑、质轻等性质，颜色洁白。氮化硼制品呈象牙白色，氮化硼是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料，包括5种异构体，分别是:

      六方氮化硼（h-BN）

      纤锌矿氮化硼（w-BN）

      三方氮化硼（r-BN）

      立方氮化硼（c-BN）

      斜方氮化硼（o-BN）。

      目前对氮化硼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。

      立方氮化硼

      立方结构的氮化硼，分子式为BN，其晶体结构类似金刚石， 1957年，美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。2013年，燕山大学通过o-BN在15GPa的压力下1800℃ 成功合成出纳米孪晶结构立方氮化硼新材料（如图1），其硬度超过HV100GPa，韧性超过12MPam1/2， 这一新材料具有多种优良特性，其硬度超过金刚石单晶，韧性优于商用硬质合金，抗氧化温度1294℃ 高于立方氮化硼单晶本身，具有广阔应用前景。

      立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品。工业制备的立方氮化硼有黑色、琥珀 色和表面镀金属的，颗粒尺寸通常在1毫米以下，它具有：

      高的硬度，HV 72～98 GPa，硬度仅次于金钢石；热稳定性远高于金钢石；具有化学惰性，对铁系金属元素有较大的化学稳定性；

      良好的透红外性能和较宽的禁带宽度；

      优异的磨削性能。

      立方氮化硼分类

      立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体（PCBN）两种。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。

      单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000Mpa、温度为800～1900℃ 范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。

      多晶体主要制法有：（1）用立方氮化硼微粉和少量结合剂(如钴、铝、钛和氮化钛等），在压力4000～8000MPa、温度为1300～1900℃下烧结而成；（2）以立方氮化硼微粉和结合剂为一层，以硬质合金（片或粉）为一层，在上述压力、温度下把两者烧结在一起，制得带立方氮化硼硬质合金衬底的多晶烧结体。

      立方氮化硼应用

      加工刀具，由于钢铁材料硬度很高，因而加工时会产生大量的热，金刚石工具在高温下易分解，且容易与过渡金属反应，而c-BN材料热稳定性好，且不易与铁族金属或合金发生反应，可广泛应用于钢铁制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有优良的耐磨性能外，耐热性能也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、铁合金、淬火钢等，并且能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的Si-A1合金等。由c-BN晶体(高温高压合成)的烧结体做成的刀具、磨具已应用于各种硬质合金材料的高速精密加工中。

      半导体材料，c-BN作为一种宽禁带(带隙6.4 eV)半导体材料，具有高热导率、高电阻率、高迁移率、低介电常数、高击穿电场、能实现双型掺杂且具有良好的稳定性，它与金刚石、SiC和GaN一起被称为继Si、Ge及GaAs之后的第三代半导体材料，它们的共同特点是带隙宽，适用于制作在极端条件下使用的电子器件。与SiC和GaN相比，c-BN与金刚石有着更为优异的性质，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。显然作为极端电子学材料，c-B与金刚石更胜一筹。作为半导体材料金刚石有它致命的弱点，即金刚石的n型掺杂十分困难（其n型掺杂的电阻率只能达到102 Ω·cm，远远未达到器件标准），而c-BN则可以实现双型掺杂。例如，在高温高压合成以及薄膜制备过程中，添加Be可得到P型半导体；添加S、C、Si等可得到n型半导体。因此综合看来c-BN是性能最为优异的第三代半导体材料，不仅能用于制备在高温、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有着广泛的应用前景。事实上，Mishima等人最早报道了在高温高压条件下制成的c-BN发光二极管，可在650℃的温度下工作，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215nm（5.8eV）。

      功能涂层材料，c-BN具有和GaAs、Si相近的热膨胀系数，高的热导率和低的介电常数，绝缘性能好，化学稳定性好，使它成为集成电路的热沉材料和绝缘涂覆层。此外c-BN具有负的电子亲和势，可以用于冷阴极场发射材料，在大面积平板显示领域具有广泛的应用前景。

      大功率激光器和探测器的理想窗口材料，在光学应用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且从紫外(约从200 nm开始)到远红外整个波段都具有高的透过率，因此适合作为一些光学元件的表面涂层，特别适合作为硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)等窗口材料的涂层。此外，它具有良好的抗热冲击性能和高硬度，有望成为大功率激光器和探测器的理想窗口材料。