陶瓷又上天?揭秘天和舱背后的材料支撑


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  首次应用于核心舱电推进系统中的霍尔推力器腔体,采用了氮化硼陶瓷基复合材料,该材料具备低密度、高强度、抗热震、耐溅射、易加工、绝缘性能好等优点,满足了推力器对陶瓷腔体材料的要求。

中国粉体网讯  4月29日,中国空间站“天和核心舱”搭乘长征五号B遥二运载火箭,在文昌航天发射场成功发射并准确进入预定轨道。记者从中国科学院金属研究所获悉,该所多项新材料技术在“天和”核心舱获得应用。其中,首次应用于核心舱电推进系统中的霍尔推力器腔体,采用了氮化硼陶瓷基复合材料,该材料具备低密度、高强度、抗热震、耐溅射、易加工、绝缘性能好等优点,满足了推力器对陶瓷腔体材料的要求。


 

(图片来源:网络)


实际上,陶瓷并不是首次应用在航空航天领域的。在航天火箭涡轮发动机用的氮化硅陶瓷轴承,地球卫星上所需的高刚度、高硬度碳化硅反射镜,美国、以色列等国在高超声速飞行器上用的氮化硅材料制作的天线罩/窗等都采用了特种陶瓷材料。那么这次中国的霍尔推力器腔体所用的氮化硼陶瓷基复合材料究竟有什么魅力呢?下面我们一起走进氮化硼的世界。


1 氮化硼陶瓷概述


氮化硼(BN)是由等量的硼元素(B)和氮元素(N)组成的一种化合物,1842年Balmain等使用熔融的硼酸(H2BO3)和氰化钾(KCN)首次制成了氮化硼。

氮化硼具有优异的物理化学特性,如:化学稳定性高、高耐热性、高导热性、与多种金属不浸润等,这些优异的性质使BN陶瓷材料在航空航天、冶金、机械和电子等高科技领域具有十分广阔的应用前景。


氮化硼陶瓷是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料,目前普遍认为主要有六方氮化硼(h-BN)、纤锌矿氮化硼(w-BN)、三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和斜方氮化硼(o-BN)5种异构体。其中最常见的是类似石墨的h-BN和类似金刚石的c-BN,下面简单介绍一下这两种。


1.1 六方氮化硼(h-BN)


最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼。h-BN 为六方晶系,结构和性能均与石墨极为相似,且自身洁白,所以俗称:白石墨。其晶体结构图见图2。


 

图2 六方氮化硼的晶体结构示意图

(图片来源:现代陶瓷技术期刊)


h-BN在惰性气氛下分解温度超过3000℃,在常压下加热至 2500℃时升华并部分分解,其理论密度为 2.27 g/cm3。h-BN陶瓷具有出色的热稳定性、高的热导率、低热膨胀、高耐热冲击性、高电阻率、低介电常数和介电损耗、微波透波、无毒、易于机加工、润滑、化学惰性,并对大部分熔融金属不润湿。


1.2 立方氮化硼(c-BN)


立方氮化硼,是人工合成的一种超硬材料。通常为黑色、棕色或暗红色晶体,为闪锌矿结构,具有良好的导热性。其硬度仅次于金刚石,是一种超硬材料,常用作刀具材料和磨料。立方氮化硼还具有高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。它作为工程材料,已经广泛应用于黑色金属及其合金材料加工工业。同时,它又以其优异的热学、电学、光学和声学等性能,在一系列高科技领域得到应用,成为一种具有发展前景的功能材料。立方氮化硼微粉,用在精密磨削、研磨、抛光和超精加工,以达到高精度的加工表面,适用于树脂、金属、陶瓷等结合剂体系,亦可用于生产聚晶复合片烧结体,还可用做松散磨粒、研磨膏。


2 氮化硼制作方法


2.1 高温高压合成法


1957年Wentorf首次人工合成立方BN。在温度接近或高于1700℃,最低压强为11~12GPa时,由纯六方氮化硼直接转变成立方氮化硼。随后人们发现使用催化剂可大幅度降低转变温度和压力。常用的催化剂为:碱和碱土金属、碱和碱土氮化物、碱土氟代氮化物、硼酸铵盐和无机氟化物等。其中以硼酸铵盐作催化剂所需的温度和压力最低,在1500℃时所需压力为5GPa,而在压力为6GPa时其温度区间为600~700℃。由此可见,虽然加催化剂可大大降低转变温度和压力,但所需的温度和压力还是较高。因而其制备的设备复杂、成本高,其工业应用受到限制。


2.2 化学气相合成法


1979年Sokolowski成功利用脉冲等离子体技术在低温低压下制备成立方氮化硼膜。所用设备简单,工艺易于实现,因此得到迅速发展。已出现多种气相沉积方法。传统来讲主要是指热化学气相沉积。实验装置一般由耐热石英管和加热装置组成,基体既可以通过加热炉加热(热壁CVD),也可以通过高频感应加热(冷壁CVD)。反应气体在高温基体表面发生分解,同时发生化学反应沉积成膜,反应气体有BCl3或B2H4与NH3的混合气体。


2.3 水热合成法


此方法是在高压釜里的高温、高压反应环境中,采用水作为反应介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解,反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点,一是其相对低的温度,二是在封闭容器中进行,避免了组分挥发。作为一种低温低压合成方法,被用于在低温下合成立方氮化硼。


3.4 苯热合成法


作为近年兴起的一种低温纳米材料合成方法,苯热合成受到广泛关注。苯由于其稳定的共轭结构,是溶剂热合成的优良溶剂,最近成功地发展成苯热合成技术,如反应式:

BCl3+Li3N→BN+3LiCl

或BBr3+Li3N→BN+3LiBr

反应温度只有450℃,苯热合成技术可以在相对低的温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的、在超高压下才能存在的亚稳相。这种方法实现了低温低压制备立方氮化硼。但是这种方法尚处于实验研究阶段,是一种很有应用潜力的合成方法。


2.5 自蔓延技术


利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应,体系局部发生反应形成化学反应前沿(燃烧波),化学反应在自身放出热量的支持下快速进行,燃烧波蔓延整个体系。这种方法虽然是传统的无机合成方法,但近年才有报道用于氮化硼的合成。


2.6 碳热合成技术


该方法是在碳化硅表面上,以硼酸为原料的,碳为还原剂,氨气氮化得到氮化硼的方法,所得产物纯度很高,对于复合材料的制备具有很大的应用价值。


2.7 离子束溅射技术


利用离子束溅射沉积技术,得到立方氮化硼和六方氮化硼的混合产物。这种方法虽然杂质较少,但是由于反应条件难以控制,因此产物的形态难以控制,对这种方法的研究还有很大的发展潜力。


2.8 激光诱发还原法


用激光作为外加能源,诱发反应前驱体之间的氧化还原反应,并使B和N结合从而生成氮化硼,但是这种方法得到的也是混合相。


3 小结


在党的领导下,几代科研工作者守正创新、薪火相传,我国终于把“陶瓷”送上了蓝天。但氮化硼陶瓷材料因其独特的物理化学性能,路漫漫而修远,相信在科学家们的不懈努力下,氮化硼复合基陶瓷必将迎来更加广阔的前景。


参考来源:

【1】科技日报.《多项新技术用于“天和”核心舱》.

【2】张振昊,孙海滨等.六方氮化硼在绝缘导热聚合物复合材料中应用研究进展.现代技术陶瓷.2020年,41(4).

【3】邵长伟,龙鑫等.氮化物陶瓷纤维的制备、结构与性能.航空制造技术.2020年,63(15).

【4】石季英.氮化硼陶瓷.科普中国科学百科.2018.10.17

【5】程江龙.功能化氮化硼及其复合材料制备及性能研究.2018.4.21.

【6】蔡德龙,陈斐等.高温透波陶瓷材料研究进展.现代技术陶瓷.2019年,40(1-2).

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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