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        六方氮化硼:工業界的“寶藏單品”,涉略多個領域!

        信息來源:本站 | 發布日期: 2024-05-23 09:38:49 | 瀏覽量:20551

        摘要:

        六方氮化硼(以下簡稱h-BN)具有一系列優異的特性,其作為一種主要的結構陶瓷材料,已在多個領域獲得成功應用。而隨著研究的廣泛開展,h-BN的功能特性也被逐漸開發出來,在新能源、電子等領域具有廣闊的應用前景。此外,對于具有結構功能一體化要求的某些苛刻服役環境,h…

        六方氮化硼(以下簡稱h-BN)具有一系列優異的特性,其作為一種主要的結構陶瓷材料,已在多個領域獲得成功應用。而隨著研究的廣泛開展,h-BN的功能特性也被逐漸開發出來,在新能源、電子等領域具有廣闊的應用前景。此外,對于具有結構功能一體化要求的某些苛刻服役環境,h-BN也是一種理想的候選材料。




        六方氮化硼的特性分析


        ① 熱學性能

        h-BN具有良好的高溫穩定性,在標準大氣壓下無明顯熔點,在3000℃以上發生升華。在氮氣或氬氣中h-BN的耐熱溫度可達到2800℃不發生軟化,在中性還原氣氛中耐熱溫度也可達2000℃;但其在氧氣氣氛中易發生氧化生成低熔點的氧化硼,導致其穩定性較差,使用溫度一般在900℃以下。

        h-BN具有優良的導熱性,熱壓致密塊體陶瓷的室溫熱導率可達50W/(m·K)以上,在陶瓷材料中僅次于氧化鈹和氮化鋁,與鋼鐵的熱導率接近。值得指出的是,h-BN陶瓷的熱導率隨溫度上升而下降的趨勢不大,在600℃以上時,其熱導率高于BeO,在1000℃時垂直c軸排列方向的熱導率約為27W/(m·K)高于絕大部分電絕緣體(熱燒結的h-BN存在織構特征,導致不同方向的性能有差異)。如果通過向其中添加燒結助劑、改性相等來提高h-BN基復相陶瓷的致密度,其熱導率可望得到進一步的提高。

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        ▲氮化硼陶瓷

        h-BN陶瓷的熱膨脹系數也相對較低,對于燒結后不存在明顯織構的塊體陶瓷,其熱膨脹系數為(2.5~4)10-6K-1。但對于存在明顯晶粒擇優取向排列的織構h-BN陶瓷,其沿垂直于c軸排列方向的熱膨脹系數一般小于1x10-6K-1而平行于c軸排列方向的熱膨脹系數則顯著增大,可達10X10-6K-1以上,兩者相差可達10余倍。

        基于較高的熱導率、較低的熱膨脹系數和彈性模量,h-BN陶瓷具有優異的抗熱沖擊性能,材料經受反復強烈熱震后也能保持不被破壞。熱壓h-BN陶瓷;試樣在1000℃高溫環境中保溫20min后,立即移人空氣中冷卻或用風扇冷卻至室溫,再送回高溫環境中,如此反復循環數百次仍可保持材料不發生開裂破壞,只是強度略有降低。

        ② 電學性能

        h-BN是良好的室溫和高溫電絕緣體。在干燥環境下,高純度h-BN陶瓷電阻率可達1016~1018cm,即使在1000℃電阻率仍可保持在1016~1018cm,但隨著濕度的增加,h-BN的電阻率會有所下降;h-BN具有很高的擊穿電壓,可達30~40kV/mm,因此其是作為高頻絕緣、高絕緣、高溫絕緣的理想候選材料;h-BN的介電常數e值為3~5,介電損為(2~8)10-4,這在陶瓷材料中也是比較小的。

        ③ 化學性能

        h-BN具有優異的化學穩定性,不溶于冷水,在沸水中水解非常緩慢并產生少量的硼酸和氨。h-BN對各種無機酸、堿、鹽溶液及有機劑均有相當的抗腐蝕能力,在大多數酸、堿中都具有極好的穩定性,在室溫下與弱酸和強堿均不起反應,在濃硫酸、硝酸、磷酸等溶液中浸泡7天的試樣質量損失率均小于10%,微濟于熱酸,用熔融的氫氧化鈉(NaOH)、氧化鉀(KOH)等處理后才能發生分解。此外,h-BN對大多數金屬和玻璃的高溫熔體既不潤濕也不發生反應因此其可作為熔制各種金屬的理想堆塌材料。




        六方氮化硼的應用


        ① 航空航天領域

        h-BN具有高的熱穩定性和低的介電損耗,是適合于制造高溫天線罩/窗的材料之一。盡管其存在硬度低、抗雨蝕能力差等問題,但通過采用氮化硅、氧化硅等對h-BN陶瓷進行復合化,在改進燒結特性的同時還可以兼具各成分的優勢,能夠滿足高馬赫數飛行條件下天線罩/窗構件對于防熱、承載、透波等多種復雜性能的要求。

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        針對可應用于衛星和深空探測器姿態控制、軌道插入、轉移、保持等飛行任務的霍爾電推進器,其關鍵部件噴管材料要求具有良好的耐熱、抗循環熱震、高溫電絕緣、抗離子濺射侵蝕性能,以及適宜的二次電子發射系數,h-BN陶瓷是最為合適的制備噴管構件的材料。俄羅斯、日本、美國以及歐盟都已在霍爾電推進器h-BN系列陶瓷噴管材料的研究方面開展了大量的工作,并在相關航天飛行器上獲得成功應用,我國也在相關型號衛星等航天飛行器上完成了霍爾電推進器及其噴管構件的空間在軌實驗驗證。

        ② 冶金行業

        h-BN及其復相陶瓷一直以來被大量作為高溫耐火材料應用,如TiB-AIN-BN復相陶瓷蒸發舟、SigN-BN分離環、特種金屬高溫電解槽、高溫塌、鑄造用型殼等。隨著研究的深人以及應用需求的擴展,該系列陶瓷材料的性能有了較大程度的改進,應用領域也日益拓寬。

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        ▲導電陶瓷蒸發舟

        薄帶連鑄技術是一種新型的薄帶鋼生產工藝,與傳統熱軋工藝相比,具有設備投資少、生產工序簡單、能耗小、產品成本低等優點。側封板是為了能在鑄輯之間形成液態金屬熔池而在鑄輥兩端添加的重要防漏裝置,它能起到約束金屬液體、促進薄帶成型、保證薄帶邊緣質量等作用,其要求材料具有良好的抗熱震、抗鋼水侵蝕、高溫體積穩定、與鋼水不浸潤等特性以及適宜的耐磨性能。經歷了傳統耐火材料、熔融石英(fusedquartz)氧化鋯等多種材質后,h-BN已被公認為是最有潛力的材料。日本、美國、俄羅斯、德國等冶金技術強國均對h-BN復相陶瓷側封板進行了系統的研究,形成了SiAlON-BN、SiN-BN、AIN-BNZrO2--BN等多個系列材料,我國相關研究機構也已完成模擬工況條件下的實驗測試。

        ③ 電子行業

        h-BN具有高絕緣、高導熱等特性,在電子電路中可以作為散熱管理器件使用。將化學氣相沉積或者液相剝離法制備的單層或少層h-BN納米材料應用到芯片表面時,既可以起到保護作用,還可以利用其特殊的二維結構所帶來的優異橫向傳熱能力,將高功率電子器件的局部熱點熱量迅速沿橫向傳開,降低局部最高溫度,從而提升器件的壽命及可靠性。此外,h-BN粉體還是一種理想的高分子填料,將其加人樹脂、橡膠、塑料等材料中,可提高熱導率并改善絕緣特性,這對于高分子材料在柔性電子器件中的應用具有重要作用。

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        ▲石墨散熱膜&氮化硼散熱膜

        近些年,隨著石墨烯研究的逐年升溫,二維氮化硼納米片也受到了廣泛關注由于兩者的結構相似但電學性質迥異,將它們逐層相間排列,可構成高質量的平面異質結,其具有晶格失配小、載流子遷移率高、帶隙寬度可調等特點,在微納米結構的高頻晶體管和光電子器件等方面具有廣闊的應用前景。

        ④ 其他領域

        h-BN在其他領域也具有廣泛的應用:

        ● 含硼的化合物具有一定的防中子輻射特性,h-BN也可用于防止中子輻照的包裝材料、原子反應堆的結構部件等;

        ● h-BN的耐高溫、化學穩定及良好高溫潤滑特性,使其可應用于高溫潤滑劑或模具的脫模劑、熔體的防黏劑中等;

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        ▲珠光效果氮化硼粉體

        ● 高純度的h-BN附著力好,質感柔軟潤滑,比傳統的化妝品粉末(如滑石粉、云母等)的摩擦系數更低,可用作高端化妝品如粉餅、口紅、唇彩、皮膚護理品等產品的填料;

        ● 最近的研究表明,h-BN的各種形態可以通過一些自由基的形成引發或催化一系列反應,包括乙炔氯化反應和丙烷脫氫反應,因此其既可作為催化劑的載體,還可以通過摻雜、修飾等手段將其直接應用于催化反應之中,表現出良好的應用潛力。

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