【原创】白石墨——六方氮化硼的合成与应用


来源:中国粉体网   山川

[导读]  h-BN具有良好的热性能和电性能、优良的耐高温和耐腐蚀性能、良好的力学性能和化学性能,在高温状态下又是优良的绝缘体,并且机械加工性能好,具有很大的发展潜力。

中国粉体网讯  氮化硼有几种不同的晶型,其中工业上常用的是六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)。不同晶型的氮化硼具有不同的性能,在应用领域内具有较大的差异性。h-BN具有良好的热性能和电性能、优良的耐高温和耐腐蚀性能、良好的力学性能和化学性能,在高温状态下又是优良的绝缘体,并且机械加工性能好,具有很大的发展潜力,在导热、冶金、润滑、绝缘、储氢、电子工业、高温抗氧化涂层、航空航天等领域有重要应用。




六方氮化硼的制备方法


固相反应法


利用固相反应法制备六方氮化硼,是指将含硼化合物和含氮化合物均匀混合在一起,在持续高温状态下进行固相反应,将煅烧后的产物经后续的除杂处理得到结晶度高和粒度均匀的氮化硼粉体。用固相反应法来制备六方氮化硼,通常使用硼砂(Na2B4O7)和氯化铵(NH4Cl)作为原料,在氨气氛围下加热到900~1100℃下保温5h,其反应方程式如下:




微波熔盐法


微波熔盐法是把原料和盐先混合均匀,再采用微波加热的方式把盐化为液相状态,让反应物在这种熔盐液相介质中进行反应,待反应结束后将产物在适当的反应溶剂中将多余的盐类杂质去除掉,清洗干燥后得到所需粉体。




化学气相沉积法


化学气相沉积法(CVD)可以看作是将两种或两种以上的气体反应原料导入存在某种催化作用的衬底表面上发生化学反应,形成一种新的材料沉积在载体衬底上。作为催化作用的衬底模具的化学成分、形状大小都会对CVD反应的进行产生影响,同时也改变了六方氮化硼薄膜的形貌、质量、性能等方面,常用的模具有Cu、Ni、Pt等以及它们的合金。对于CVD反应过程中所需的气体源常用的有具有氮元素和硼元素的有机或无机化合物和一些具有NH3的前驱体,例如环硼氮烷(B3N3H6)等。该方法的化学反应式如下:




使用化学气相沉积法可以制备出纯度高达99.9%以上的氮化硼,可以满足大部分极端领域上的应用,但由于制作成本高产率低,所以售价也十分昂贵,不适合大规模工业化生产。


其它方法


除上述几种制备六方氮化硼的方法之外,还有很多极具潜力的合成方法。如:


(1)水热合成法是一种以水或有机溶剂作为反应介质,在低温液相条件下制备出固相物质的技术;


(2)自蔓延技术。通过摄取外部能量使内部发生正顺反应,以自身产物促进反应进行来制备氮化硼;


(3)离子束溅射技术。利用离子束溅射的方式得到沉积效果,进而制备氮化硼,反应条件可控性差,得到的产物有差异,但纯度很好,可以进一步研究;


(4)激光诱发还原法。利用激光作为催化剂,使含氮化合物和含硼化合物进行氧化还原反应,得到氮化硼材料。


六方氮化硼的应用


用于陶瓷材料


hBN具有特殊的结构和性质,对提高陶瓷材料性能具有重要作用,主要表现在以下方面:


(1)耐高温性和电绝缘性:可作为耐高温电绝缘材料,具有优良的抗热冲击性;


(2)高导热性及其穿透性:可作雷达的传递窗;


(3)熔点较高、热膨胀系数小:用作高温金属冶炼坩埚、耐热材料、散热片和导热材料;


(4)耐侵蚀性:可用于熔炼有色金属、贵金属;


(5)对大多数熔融金属既不润湿也不反应的性能:可用作熔化稀有金属的坩埚、器皿以及输送液体的管道、输送泵等;


(6)较强的中子吸收能力:可与各种塑料、石墨混合使用,作为原子堆的屏蔽材料;


(7)介电性好、制品易加工:可与硼化钛复合制备导电陶瓷蒸发舟;


(8)发光性:可作为发光材料。


导热填充材料


随着科技的发展电子产品小型化、集成化程度越来越高,性能的提高难免导致散热方面产生问题,会影响产品的工作效率以及使用寿命,从而制约了微电子集成技术的发展。h-BN具有高绝缘性和高热导率,是一种具有极大潜力的导热填料,近年来,研究学者们通过共混、表面修饰、杂化效应及3D结构构筑等方法来进一步提高h-BN基导热复合材料的热导率,使它能够更好的被应用在电子元器件上。


用于化妆品


h-BN具有优异的分散性能、高导热率和化学惰性,无毒、透明,还可以减少油性皮肤的光泽。h-BN颗粒带有静电粒子,可增加化妆品的附着力和遮盖力,还有良好的滑移特性,在化妆品中加入3%~30%的h-BN,可以使皮肤紧致且彩妆产品易于清洁。氮化硼含有很多悬挂键(-OH)与液体溶剂链接,比表面积大,用其生产的化妆品具有美白、纯净无暇的效果和优良的遮盖性能。氮化硼作为口红的填料,既有润滑性,又有光泽。


用作载体


h-BN因生物相容性和稳定性好,可以作为抗癌纳米载体来传递抗癌药物,并且在酸性和升温条件下能快速释放药物。


润滑添加剂


相较于目前市场上使用的润滑油添加剂,h-BN纳米粒子作为润滑添加剂具有更多的优点,不会存在寿命短、负载能力差等缺陷。h-BN的耐磨性好,硬度大,可以延长器物的使用时间,增加工作效率,满足市场的使用需求。


吸附材料


多孔h-BN具有独特的结构与性能,由于有较高的比表面积,所以对碳氢化合物、重金属离子、油类等有机溶剂具有较强的吸附作用,在油水分离和污水净化等保护环境节约资源的方面具有极大的研究价值。


参考来源:

[1]王媛文等.六方氮化硼的制备、改性及应用

[2]崔世强等.六方氮化硼的制备应用及研究进展

[3]李师等.六方氮化硼的制备与应用综述


(中国粉体网编辑整理/山川)

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