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氮化硼的神奇之旅:从白石墨到钻石挑战者

信息来源:本站 | 发布日期: 2024-06-29 08:26:49 | 浏览量:91290

摘要:

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…

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。

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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。

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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。


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