在新材料領域，氮化硼（BN）因其獨特的性能而備受關注，不僅擁有高導熱率和優異的絕緣性，還展現出了廣泛的應用潛力，在多種形式下（如納米片、納米管和纖維）均有被深入研究。

其中，氮化硼纖維作為一種高強度、輕量化、耐腐蝕且具有優異導熱性能的材料，正成為未來電子器件熱管理和新型復合材料的重要方向。本文將從結構特性、制備技術和應用前景三個方面，探討氮化硼纖維在材料科學中的獨特魅力及發展挑戰。

氮化硼連續纖維

關于氮化硼

氮化硼（BN）是一種具有蜂窩狀原子結構的材料，其優異的導熱性和絕緣性使其在熱界面材料領域備受關注。與石墨類似，氮化硼也有立方、層狀和納米管等多種形態。

BN的四種主要結晶形式，即立方氮化硼（cBN；圖a）；纖鋅礦型氮化硼（wBN；圖b）；斜方體氮化硼（rBN；圖c）；以及六方氮化硼（hBN；圖d）

氮化硼纖維的制備技術

氮化硼纖維是可以在超高溫下長期使用的纖維，具有高強輕質、良好的耐腐蝕性、耐高溫氧化性及透波等特點，因此，在學術界也受到廣泛關注，在制備工藝上已取得重要進展。以下是幾種關鍵制備方法：

1、無機前驅體法

無機前驅體轉化法就是利用氧化硼（B₂O₃）或者硼酸（H₃BO₃）作為先驅體，將熔融 B₂O₃在低溫條件下拉絲成纖維狀并在NH₃氣氛下氮化后再經過高溫N₂氣氛下氮化得到均勻的氮化硼纖維。

2、靜電紡絲技術

靜電紡絲法就是采用穩定電紡聚丙烯腈纖維沉積的氧化硼(B2O3)涂層合成了連續氮化硼纖維。Qiu等人研究了溶液涂布結合靜電紡絲的方法，通過控制氧化硼溶液濃度，成功制備了直徑可控的氮化硼納米纖維。這種纖維在(002)面結晶高度取向，展現了優異的導熱性。

3、有機前驅體轉化法

有機前驅體轉化法就是通過陶瓷前驅體聚合物熱解和裂解路線，各種基于含有硼元素和氮元素的聚合物熱解成功地轉化為氮化硼纖維，通過有機聚合物先制備出纖維先驅體，然后通過聚合物熱解和裂解形成氮化硼纖維

4、硼酸和三聚氰胺化學反應合成法

硼酸和三聚氰胺化學反應合成法就是以硼酸（H₃BO₃）和三聚氰胺（C₃H₆N₆）為原料，采用聚合前驅體法合成了六方氮化硼纖維。通過在N₂氣氛中使用硼酸和三聚氰胺作為前驅體制備六方氮化硼纖維，通過硼酸和三聚氰胺混合法制備氮化硼纖維的前驅體，并通過化學反應制備出非晶態氮化硼纖維，并通過高溫熱處理工藝制備出具有晶態結構的六方氮化硼纖維。

5、三維打印法

如圖所示，Yu等人發展了一種纖維納米流體管道，通過三維打印的方法合成纖維素納米纖維/氮化硼納米片復合材料.其中纖維素納米纖維兼具親水性和疏水性，在擠出過程中會使得纖維素納米纖維和氮化硼納米片重新組裝成連續和宏觀的層層堆疊結構.

6、同軸濕法紡絲法

Lu等人提出了一種同軸濕法紡絲的方法制備氮化硼納米片/聚合物復合纖維，實現納米片高度取向。這一過程中發現了氮化硼納米片的一種新的組裝機制，利用同軸濕法紡絲在熱拉伸過程中芯層和殼層之間界面處的壓縮作用，可以有效誘導氮化硼納米片在軸向方向上發生取向，熱導率有明顯提升，是非同軸紡絲熱導率的兩倍多。

氮化硼纖維的應用前景

氮化硼纖維具有優良的耐高溫性能，優良的耐化學腐蝕性能，優良的介電性能，優良的電絕緣性能，優良的導熱性能等特性，因此在工程領域具有廣闊的應用前景。

1、增強劑

作為增強劑，它與陶瓷基體復合后可顯著提高材料的機械性能，例如制備 BNf/BN、BNf/SiBCN、BNf/Si3N4 和 BNf/SiC 等復合材料，這些材料表現出優異的抗彎強度和韌性，廣泛應用于航空航天和高溫工程領域。

2、絕緣材料

此外，氮化硼纖維的熱穩定性和電絕緣性能使其在絕緣材料中得到了廣泛應用，特別是六方氮化硼纖維，更是許多高性能絕緣組件的重要材料來源。氮化硼纖維網絡結構因其疏水性和親油性，還可以作為油水分離材料，同時作為催化劑載體、復合材料增強材料和過濾器，在化學工業和環保領域展現了多樣化的應用潛力。

3、功能材料

在功能材料開發方面，氮化硼纖維制備的三維網絡結構材料具有優異的纖維網絡性能，可在特殊環境中滿足多種復雜需求。通過進一步與陶瓷或其他材料的復合，氮化硼纖維的應用將持續擴展，在工程、化工和電子領域展現更多可能性。

當前發展挑戰與未來研究方向

盡管氮化硼纖維在多領域展現出巨大潛力，其發展仍面臨以下挑戰：

l 工藝成熟度不足：現有制備工藝如靜電紡絲及聚合物轉化法的穩定性仍需提高，特別是在規模化生產中，工藝波動可能導致產品性能不均。

l 成本控制：制備氮化硼纖維的高成本限制了其在商業化領域的大規模應用。

l 長纖維制備難題：如何突破單晶長纖維的制備技術瓶頸，是未來研究的重要方向。

以上難點對一些高要求的應用，可能構成一定的風險。此外，規模化制備難度大，使得市場上供應的氮化硼纖維數量有限，難以滿足大規模生產和應用的需求。基于此，未來的研究和開發可以集中在優化氮化硼纖維的連續紡絲工藝開發、低成本制備等方面。

資料來源：

1、江濤,黃一丹.氮化硼纖維的制備技術及其研究發展現狀和發展趨勢及開發應用[J].現代技術陶瓷,2023,44(04):274-302.

2、奚啟清,楊志誠,姚深冬,等.高導熱纖維研究進展[J/OL].科學通報,1-20[2024-12-23].

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