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六方氧化硼:浅析六方氮化硼陶瓷的制备与应用

2020-08-06  来自: 辽宁硼达科技有限公司 浏览次数:18

六方氮化硼诞生在19世纪40年代的贝尔曼实验室中,它的结构和性能与石墨极为相似,由于颜色洁白,有“白石墨”之称。六方氮化硼陶瓷作为一种新型复合陶瓷基材料,除了具有低密度、高熔点、低硬度、抗热震性和机械加工性能好等优点,还具有耐高温、热胀系数小、热导率高、介电常数低、可靠的电绝缘性等许多优异的性能,是一种有着巨大发展潜力的高温结构陶瓷材料。接下来由六方氧化硼的小编给大家详细介绍一下六方氮化硼陶瓷的制备与应用。

1.六方氮化硼的结构与性能

1.1六方氮化硼的结构

氮化硼(BN)是一种性能优异,较具发展潜力和应用前景的新型宽带隙纳米材料。它是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物,由氮原子和硼原子组成。氮原子和硼原子采取不同的杂化方式相互结合,可以形成不同物相结构的氮化硼:六方氮化硼(h-BN)、菱方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和纤锌矿氮化硼(w-BN)、正交氮化硼(o-BN)。其中,六方氮化硼它是存在于自然界的氮化硼相。

1.2六方氮化硼的性能

六方氮化硼的结构特点使其具有很多优异的特性,如高导热性、高耐热性、润滑性、摩擦系数低、热膨胀系数低、介电性质优异等物理性质以及抗氧化性强、抗腐蚀性强、化学性质稳定等化学性质。

六方氮化硼(h-BN)的基本性质

(1)高耐热性

h-BN陶瓷在0.1MPa氮气中于3000℃升华,在1800℃时的强度为室温的2倍,具有优异的抗热震性能,在1500℃空冷至室温数十次不会破裂。

(2)高导热系数

热压h-BN陶瓷制品导热率约为33W/m•k,具有与不绣钢相似的导热系数,是陶瓷材料中导热率较大的材料之一。

(3)低热膨胀系数

h-BN陶瓷的线膨胀系数为(2.0~6.5)x10-6/℃,仅次于石英玻璃,是陶瓷中较小的,加上其具有高的导热率,所以h-BN陶瓷的抗热震性能很好。

(4)优良的电绝缘性能

h-BN陶瓷的高温绝缘性好,其电阻率25℃为1014Ω•cm,2000℃还可达到103Ω•cm,高纯度h-BN陶瓷较大体积电阻率可达1016~1018Ω•cm,即使在1000℃高温下,仍有104~106Ω•cm,是陶瓷中较好的高温绝缘材料。

(5)良好的耐腐蚀性

h-BN陶瓷化学稳定性好,且不被大多数的熔融金属、玻璃和盐润湿,因此具有很高的抗酸、碱、熔融金属及玻璃的侵蚀能力,有良好的化学惰性。

(6)低的摩擦系数

h-BN陶瓷具有极好的润滑性能,摩擦系数μ为0.16,高温下不增大,比二硫化钼、石墨耐温高,氧化气氛可用到900℃,真空下可用到2000℃。

(7)可机械加工性

h-BN陶瓷极易使用常规金属切削技术对制品精加工,车削精度可达0.05mm,因此由h-BN坯料可以加工得到复杂形状的制品。

2.六方氮化硼陶瓷的制备

2.1六方氮化硼粉体的制备

六方氮化硼主要是通过含硼和含氮的化合物进行合成和分解来制备,含硼的化合物主要包括硼的卤化物、氧化物及硼酸等,含氮化合物主要包括氨气、氨盐、尿素以及其他有机氨类。

随着对氮化硼的研究不断深入,一些纳米结构的氮化硼的性质逐渐被发现。一方面纳米粉体比表面能高,烧结活性高,可以有效地促进h-BN陶瓷的致密化;另一方面,以纳米粉体作为原料,可以降低烧结温度,减小陶瓷烧结体晶粒尺寸,提高陶瓷的韧性,增强h-BN陶瓷的力学性能,为h-BN陶瓷工业化大规模应用奠定基础。

目前纳米氮化硼粉体的制备方法有很多,根据其原理大致可以分为两大类:其中一类是合成法,主要有高温合成法、溶剂热合成法、模板法和化学气相沉积法(CVD)等;而另一类是剥离法,包括液相超声剥离法、激光蚀刻剥离法、机械球磨法等。

3.六方氮化硼陶瓷的应用

h-BN陶瓷可以说是一种随着航空和电子工业的发展而发展起来的新兴工业材料,在冶金、化工、电子及新能源等领域具有广阔的应用前景。

利用氮化硼制品较好的耐高温性和电绝缘性,可作为高温下的电绝缘材料,具有优良的抗热冲击性。利用其高导热性及对微波辐射的穿透性能,在电子工业中可用作雷达的传递窗。利用h-BN制品熔点较高、热膨胀系数小以及几乎对所有熔融金属都稳定的性能,可用作高温金属冶炼坩埚、耐热材料、散热片和导热材料等。利用h-BN陶瓷优异的热稳定性能,可在1500°C至室温反复急冷急热条件下使用。

利用h-BN陶瓷对酸、碱和玻璃熔渣有良好的耐侵蚀性,以及对大多数熔融金属既不润湿也不反应的性能,可用作熔炼有色金属、贵金属和稀有金属的坩埚、器皿、管道、输送泵等部件。利用h-BN陶瓷既是热的良导体,又是电的绝缘体,可作为超高温的绝缘材料。利用h-BN陶瓷对微波和红外线是透明的,可用作透红外和微波的窗口,如雷达窗口等[12]。

利用h-BN陶瓷具有较强的中子吸收能力,可在原子能工业中与各种塑料、石墨混合使用,作为原子堆的屏蔽材料。利用h-BN陶瓷具有较高的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性,同时还具有热导率高、介电性好、制品易加工等特点,可与TiB2复合制备导电陶瓷蒸发舟。

此外,利用h-BN在超高压下性能稳定,可作为压力传递材料和容器。利用h-BN是较轻的陶瓷材料,可用于飞机和宇宙飞行器的高温结构材料。利用h-BN的发光性,可以作为场致发光材料。

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