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氮化硼的神奇之旅:從白石墨到鉆石挑戰(zhàn)者
信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-06-29 08:26:49 | 瀏覽量:99759
氮化硼,這種由氮原子和硼原子以1:1比例組成的化合物,其化學(xué)式為BN。它和碳是電子等價(jià)物,也因此擁有多種同質(zhì)異形體。氮化硼的兩大明星形態(tài)分別是六方氮化硼(α-BN)和立方氮化硼(β-BN)。前者結(jié)構(gòu)類(lèi)似于石墨,是絕佳的潤(rùn)滑劑,而后者結(jié)構(gòu)與鉆石相似,硬度僅次于金剛…
氮化硼,這種由氮原子和硼原子以1:1比例組成的化合物,其化學(xué)式為BN。它和碳是電子等價(jià)物,也因此擁有多種同質(zhì)異形體。氮化硼的兩大明星形態(tài)分別是六方氮化硼(α-BN)和立方氮化硼(β-BN)。前者結(jié)構(gòu)類(lèi)似于石墨,是絕佳的潤(rùn)滑劑,而后者結(jié)構(gòu)與鉆石相似,硬度僅次于金剛石,但其耐高溫性能卻優(yōu)于鉆石。
六方氮化硼:白石墨的魅力
六方氮化硼(hexagonal boron nitride,簡(jiǎn)稱(chēng)h-BN或α-BN),因其結(jié)構(gòu)類(lèi)似石墨,又被稱(chēng)為“白石墨”。它由許多六邊形薄片層疊組成,這些薄片之間的關(guān)系并不規(guī)則。由于硼原子在氮原子上,使得這些原子排列成橢圓形,這樣的結(jié)構(gòu)反映了硼-氮鏈的極性。h-BN在各類(lèi)氮化硼形態(tài)中應(yīng)用最廣泛。
h-BN的奇妙之處在于其低共價(jià)性質(zhì),使其成為一種導(dǎo)電性較低的半金屬。在極低或極高溫度下(甚至高達(dá)900°C),它仍是出色的潤(rùn)滑劑,特別是在石墨的導(dǎo)電性或化學(xué)反應(yīng)造成問(wèn)題時(shí)。因其潤(rùn)滑機(jī)制不涉及層間水分子,h-BN在真空環(huán)境下,如太空作業(yè)中也同樣出色。
此外,h-BN在空氣中高達(dá)1000°C、真空中1400°C及惰性氣體中2800°C都能保持穩(wěn)定,是導(dǎo)熱性絕佳的絕緣體。它幾乎不與大多數(shù)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),也不會(huì)被鋁、銅、鐵等多種熔融金屬潤(rùn)濕。其細(xì)顆粒被用于化妝品、顏料、補(bǔ)牙劑和鉛筆芯。
六方氮化硼的制造
h-BN可以通過(guò)三氯化硼與氮化或氨解反應(yīng)制成。其制品通過(guò)加熱加壓以及機(jī)械加工而成,因硬度與石墨相當(dāng),加工成本較低。氮化硼薄膜可由三氯化硼和氮的化學(xué)氣相沉積形成。工業(yè)生產(chǎn)主要基于兩個(gè)化學(xué)反應(yīng):熔化的硼酸與氨,或硼酸或堿性硼化物與尿素等有機(jī)氮化合物反應(yīng)。生產(chǎn)超細(xì)氮化硼潤(rùn)滑劑和碳粉需要在氮?dú)庵幸?500°C高溫燃燒硼粉末。
氮化硼纖維:白碳纖維的誕生
六方氮化硼可以制成纖維,因其結(jié)構(gòu)與碳纖維相似,又稱(chēng)“白碳纖維”。這種纖維通過(guò)環(huán)硼氮烷纖維在1800°C下熱分解制成。氮化硼纖維可用于增強(qiáng)復(fù)合材料,基質(zhì)材料包括有機(jī)樹(shù)脂、陶瓷與金屬。
w-氮化硼:高壓下的超硬形態(tài)
w-氮化硼是六方氮化硼在高壓下形成的一種超硬形態(tài),結(jié)構(gòu)類(lèi)似纖維鋅礦,與石墨的層狀結(jié)構(gòu)不同。
立方氮化硼:鉆石的硬度挑戰(zhàn)者
立方氮化硼(cubic boron nitride,簡(jiǎn)稱(chēng)c-BN或β-BN),其結(jié)構(gòu)與鉆石相似,顯微硬度僅次于鉆石。它是一種絕佳的導(dǎo)熱體,同時(shí)也是出色的絕緣體,廣泛用于工業(yè)鉆磨工具。
c-BN在1150°C以下不與鐵系金屬反應(yīng),而鉆石在700°C時(shí)就會(huì)溶解于鐵中,導(dǎo)致刃具迅速磨損。因此,c-BN特別適合加工鋼鐵材料,尤其是淬硬鋼、冷硬鋼等難加工材料。多晶體c-BN鉆磨工具常用于機(jī)械鋼鐵加工,而鉆石工具則多用于鋁合金、陶瓷和玻璃。
立方氮化硼的制造
c-BN的制備類(lèi)似于人造鉆石,通過(guò)在高溫高壓下處理六方氮化硼而成。直接轉(zhuǎn)換需要1800萬(wàn)帕的壓力和1730-3230°C的溫度,添加少量氧化硼可將壓力降至400-700萬(wàn)帕,溫度降至1500°C。工業(yè)上使用催化法轉(zhuǎn)化氮化硼,不同的催化劑如鋰、鉑或鎂等會(huì)用在不同生產(chǎn)方法中。
c-BN薄膜可通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)制得,使用三氟化硼選擇性蝕刻沉積的六方氮化硼。其他物理氣相沉積方法如離子束沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等也有所使用。
三方氮化硼:α-BN的“親戚”
三方氮化硼與六方氮化硼相似,通常在立方氮化硼轉(zhuǎn)化為六方氮化硼過(guò)程中產(chǎn)生。
氮化硼,雖然是一種不起眼的化合物,但其多樣的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用讓它在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。無(wú)論是作為潤(rùn)滑劑還是工業(yè)鉆磨工具,它都展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。
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2024-10-15 09:49:51
常見(jiàn)的六方相氮化硼(hBN)因化學(xué)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好以及表面無(wú)懸掛鍵原子級(jí)平整等特點(diǎn),被視為理想的寬帶隙二維介質(zhì)材料。菱方相氮化硼(rBN)可以保持h…
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2024-10-07 09:23:20
多數(shù)晶體內(nèi)原子、分子排列并非完美無(wú)暇,也因此會(huì)形成晶體缺陷,而科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)層狀二維材料存在的單原子缺陷,竟無(wú)需其他特殊條件就可在室溫下保留幾…
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2024-09-28 09:33:56
氮化硼是由氮原子和硼原子構(gòu)成的晶體,除了常見(jiàn)的六方氮化硼(白石墨)外,還有立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纖鋅礦型氮化硼(WBN)等變體,…
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2024-09-20 15:44:30
氮化硼(Boron Nitride, BN)是一種重要的無(wú)機(jī)化合物,廣泛應(yīng)用于電子、新能源、航空航天等多個(gè)高科技領(lǐng)域。其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),如高熱導(dǎo)率、電絕…
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2024-09-14 08:27:33
莫爾超晶格已被證明是一個(gè)非常豐富的材料平臺(tái),通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)角、摻雜或電場(chǎng)來(lái)設(shè)計(jì)電子帶,可以實(shí)現(xiàn)不同的物質(zhì)相。然而,現(xiàn)有的莫爾系統(tǒng)在各個(gè)方面都存在…
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2024-09-07 08:26:32
六方氮化硼(h-BN)納米材料,如氮化硼納米顆粒(BNNPs)、氮化硼納米管(BNNTs)、氮化硼納米纖維(BNNFs)、氮化硼納米片(BNNSs),被認(rèn)為是近年來(lái)最…