低温制备高致密高强度六方氮化硼陶瓷

      低温制备高致密高强度六方氮化硼陶瓷

      六方氮化硼（h-BN）陶瓷是一种重要的工程材料，具有热导率高、热膨胀系数小、抗热震性好、耐高温、耐腐蚀、机械加工性能和电绝缘性能好等众多优点，在冶金、电子、化工等领域有着广阔的应用前景。

      然而，纯六方氮化硼是很难烧结的，其与石墨类似的层状结构，难以密集堆叠；以及熔点高、共价键强等物理特性，使其在常规条件下难以烧结致密化。为促进致密化，通常掺入烧结助剂（如B2O3、Y2O3）来降低烧结温度。但是加入烧结助剂后会影响氮化硼陶瓷的综合性能（如表一）。常压烧结工艺难以制备高度致密的氮化硼基复合陶瓷，故目前通常采用热压烧结工艺，同时添加烧结助剂，此类方法烧结温度高（＞2000℃），工艺时间长（＞4小时）。这些都增加了氮化硼陶瓷的制备成本，阻碍了氮化硼陶瓷在高温承载、防热透波、金属冶炼等工程领域的进一步应用。

      近日，有研究小组报道了一种低温烧结高强度六方氮化硼的方法。在较低的制备温度（1700℃）下，通过自致密化机理制备高致密度氮化硼陶瓷（致密度最高可达97.6%）。研究人员将立方氮化硼（c-BN）颗粒掺入六方氮化硼（h-BN）片状粉末中，以立方氮化硼作为烧结助剂和增强剂，利用立方氮化硼在烧结过程中（＞1400℃）向BN onions（一种h-BN同心圆结构）转变而伴随明显体积膨胀的特点，填充六方氮化硼薄片间的空隙，同时减小h-BN的自扩散距离，使其高度致密化。利用这种方法获得的致密氮化硼陶瓷的强度是传统氮化硼陶瓷强度的2-3倍。

      在力学性能测试中，添加了立方氮化硼颗粒制备的氮化硼陶瓷的抗压强度明显高于传统纯h-BN陶瓷。并且随着原组分中立方氮化硼颗粒所占比重的增加，高强度氮化硼陶瓷（HSHBN）的杨氏模量和硬度也随之增加。

      高强度氮化硼陶瓷（HSHBN）的力学性能

     总而言之，这为氮化硼陶瓷的制备提供了一条新的路线，即通过以立方氮化硼作为烧结助剂，在较低温度下（1700℃）成功制备出高强度的氮化硼陶瓷。同时也为其他陶瓷的制备工艺提供的了新的参考。

     参考文献：

      YANG H, FANG H, YU H, et al. Low temperature self-densification of high strength bulk hexagonal boron nitride [J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 854.