氮化硼(boron nitride，BN)是由第三族元素硼(B)和第五族元素氮(N)組成一種重要的III．V族化合物。氮化硼具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能。氮化硼還在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用前景。因此，氮化硼納米材料的制備、納米結(jié)構(gòu)的測量、納米器件的組裝、氮化硼增韌陶瓷及光、電學(xué)性能的測試等成為當(dāng)今無機(jī)納米材料領(lǐng)域的重要研究方向。

1. 氮化硼結(jié)構(gòu)

氮化硼具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能。氮化硼的結(jié)構(gòu)與石墨相似，它常見的有兩種雜化方式，sp2和sp3雜化。sp2雜化的BN主要包括六方相氮化硼（h-BN）和三方相氮化硼（r-BN）：sp3雜化的BN主要包括立方相氮化硼（c-BN）和纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化硼（w-BN）。圖1為氮化硼各晶型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 氮化硼各晶型結(jié)構(gòu)示意圖

2. 氮化硼性質(zhì)

雖然氮化硼與石墨的結(jié)構(gòu)相似，但是與石墨相比，氮化硼還具有很多優(yōu)異的物理化學(xué)特性：

1. 高耐熱性，能耐2000℃的高溫，直到3000℃時才升華。

2. 高導(dǎo)熱性，氮化硼具有良好導(dǎo)熱性，是眾多陶瓷材料中導(dǎo)熱最火的材料之一。

3. 優(yōu)異的介電性能，高溫絕緣性很好，電阻率在25℃時為104ΩNaN，在2000℃時為104ΩNaN，是陶瓷材料中最好的高溫絕緣材料。介電常數(shù)為4，能透微波和紅外線。

4、良好的高溫穩(wěn)定性，在處于氧化氛圍中，抗氧化溫度可達(dá)到900℃，當(dāng)在真空條件下時，更是可以達(dá)到2000℃。

5. 具有低的熱膨脹系數(shù)，膨脹系數(shù)為10^-6，僅次于石英玻璃，是陶瓷材料中比較小的，抗熱震性能優(yōu)異。

6、良好的潤滑性，在高溫時也具有良好的潤滑性能，是一種非常優(yōu)良的高溫固體潤滑劑。

7、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的耐腐蝕性，和一般的無機(jī)酸、堿、或者氧化劑不發(fā)生反應(yīng)，對幾乎所有熔融金屬都呈現(xiàn)化學(xué)惰性。氮化硼還具有非常強(qiáng)的中子吸收能力．可以用來做反應(yīng)堆中吸收中子的控制棒，以及用來制作防中子輻射的防護(hù)裝置。

3. 氮化硼制備

     3.1硼砂-氯化銨法

硼砂-氯化銨法是將無水硼砂和無機(jī)致孔劑氯化銨混合后在氨氣流中加熱反應(yīng)而制得氮化硼。該方法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率，而且生產(chǎn)成本低，投資少，工藝簡單；但是由于該方法反應(yīng)不完全，導(dǎo)致六方氮化硼含量不高，氮化硼純度不高，粒度均勻性差 ，而且還會產(chǎn)生C等其他雜質(zhì)，需要做后期處理，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，故需要進(jìn)一步研究更好地合成工藝。

其反應(yīng)方程式為：

Na₂B₄O₇+2(NH₂)₂CO→4BN+Na₂O+4H₂O+2CO₂

Na₂B₄O₇+2NH₄Cl+2NH₃→4BN+2NaCl+7H₂O

    3.2 硼砂-尿素法

該方法事先將硼砂與尿素進(jìn)行重結(jié)晶提純處理，待處理完成后將硼砂進(jìn)行脫水處理，然后將該脫水處理的硼砂與尿素按一定質(zhì)量比混合，進(jìn)而在900-1100℃下進(jìn)行氮化處理1-2h得到粗晶氮化硼，粗品利用水洗或酸洗至中性，過濾、干燥得到氮化硼樣品。

制備過程中涉及的反應(yīng)式為：

Na₂B₄O₇+2(NH₂)₂CO=4BN+Na₂O+4H₂O+2CO₂

    3.3 硼砂-三聚氰氨法

硼砂-三聚氰氨法是將無水硼砂粉與三聚氰胺混合均勻，然后在壓力機(jī)上進(jìn)行壓塊并置入爐中，待溫度升至400℃時開始通氨，在氨氣氣流中繼續(xù)升溫至在1200℃并保溫9 h，降溫后將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行精制，得到純度達(dá)到97%以上的氮化硼粉體。

硼砂與三聚氰胺的反應(yīng)式為：

3Na₂B₄O₇+2(NH₂CN)₃=12BN+3Na₂O+6H₂O+6C0₂

    3.4 高頻等離子法

高頻等離子法是以無水硼砂與尿素為原料，采用高頻氮等離子加熱，反應(yīng)后得到高純氮化硼。具體步驟如下：將無水硼砂與尿素混合均勻并在幾十兆帕壓力下經(jīng)模具壓制成型，然后裝入與等離子發(fā)生器相連接的反應(yīng)爐，由氮等離子火焰加熱，反應(yīng)爐內(nèi)溫度約為2000℃，反應(yīng)時間約2 h。最后得到純度99％以上的氮化硼產(chǎn)品。此方法對反應(yīng)設(shè)備的要求較高。

3.5 模板法

模板法是利用模板的空間限制作用，制備結(jié)構(gòu)有序、孔徑均勻材料的方法。根據(jù)模板應(yīng)用方式的不同可分為硬模版法、軟模板法和元素置換法。根據(jù)氮化硼孔徑的大小，可制備微孔氮化硼(孔徑小于2 nm)、介孔氮化硼(孔徑2~50 nm)和大孔氮化硼(孔徑大于50 nm)。

硬模板法是制備介孔氮化硼材料常用方法。利用多孔固體作為模板，在其孔道中浸漬氮化硼前驅(qū)體，經(jīng)熱解合成氮化硼， 然后除去模板得到對應(yīng)孔結(jié)構(gòu)的多孔氮化硼材料。

軟模板法是最早制備有序介孔材料的方法。以兩親性表面活性劑構(gòu)成的超分子聚集體作為模板，氮化硼前驅(qū)體和模板之間通過非共價鍵作用力作用進(jìn)行自組裝，再熱解得到多孔氮化硼材料。

元素置換法是在高溫條件下，利用硼、氮與碳模板之間的置換反應(yīng)得到多孔氮化硼材料。產(chǎn)物中的碳含量可通過對反應(yīng)溫度的控制來調(diào)整，反應(yīng)溫度越高，碳含量越低。此方法操作簡單，污染小，但能耗較高。

4 氮化硼應(yīng)用

氮化硼具有許多優(yōu)異的特性：

(1) 高硬度的機(jī)械特性，顯微維氏硬度約為5000 kg/mm²，僅次子金剛石，因而是超硬保護(hù)涂層的首選材料，也可做切削刀具材料；

圖 2 C-BN刀具

(2)優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，高的熱導(dǎo)率和良好的熱穩(wěn)定性，是很好的熱導(dǎo)材料和耐熱材料。

圖3 氮化硼陶瓷熱電偶管

(3)良好的化學(xué)惰性，高溫下強(qiáng)的抗氧化性能(1300℃以下不易氧化，不易與鐵族金屬及其合金材料發(fā)生反應(yīng)，可廣泛用于鋼鐵制品的精密加工、研磨。在相當(dāng)高的溫度下也能切削耐熱鋼、鈦合金及其淬火鋼等。而金剛石則不宜加工含鐵材料。另外還可做極好的抗氧化保護(hù)涂層；

(4)高的光譜透過率，光譜寬度包括紅外區(qū)、可見光區(qū)到紫外區(qū)，加上本身高硬度的特點(diǎn)，是光學(xué)元件的良好保護(hù)涂層，也可做光學(xué)窗口材料、紫外發(fā)光二極管(發(fā)光波長可達(dá)215 nm)，是首次實(shí)現(xiàn)達(dá)到紫外區(qū)域的二極管發(fā)光器件；

圖 4 氮化硼陶瓷二極管

(5)良好的半導(dǎo)體特性，立方氮化硼的禁帶寬度為6．4 eV，既可n型摻雜又可P型摻雜，是優(yōu)良的寬帶隙材料，可用于制造高溫、大功率、抗輻射的電子器件，而金剛石只能摻雜為P型半導(dǎo)體；

(6)極好的電學(xué)特性，有表面負(fù)電子親和勢，是極好的場發(fā)射材料，可封裝冷陰極電子場發(fā)射器件；

(7)良好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性，可作為高品質(zhì)絕緣層用在其它的III．V族化合物如：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)的金屬絕緣半導(dǎo)體(MIS，metal．insulator．semiconductor)器件中以提高其高頻特性，同時也可以作為電絕緣層增加多種類型器件穩(wěn)定性的場效應(yīng)管，薄膜電容器，以及作為金屬絕緣半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)隧穿的絕緣層等。

圖5 氮化硼絕緣片

作者：小龍

參考文獻(xiàn)

[1]. 高世濤, 張長瑞, 劉榮軍, 等. 氮化硼復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報, 2013, 32(5): 872-877.

[2]. 趙凱. 六方氮化硼的制備及其生成機(jī)理研究[D]. 河北科技大學(xué), 2016.

[3]. 張愛菊. 立方氮化硼基陶瓷復(fù)合材料的研究[D]. 天津大學(xué), 2009.

[4]. 薛雅芳. 六方氮化硼和石墨的剝離、改性及性能[D]. 東華大學(xué), 2013.

[5]. 劉軍, 雷玉成, 包旭東,等. 氮化硼粉體的合成研究[J]. 陶瓷科學(xué)與藝術(shù), 2003, 37(5):31-33.

[6]. 王光祖. 立方氮化硼 (cBN) 特性綜述[J]. 超硬材料工程, 2005, 17(5): 41-45.

[7]. 葛雷, 楊建, 丘泰. 六方氮化硼的制備方法研究進(jìn)展[J]. 電子元件與材料, 2008, 27(6): 22-25.