超硬材料領域冉冉升起的“巨星”－立方氮化硼

發布時間 | 2021-08-18 10:10 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 2539

石墨金剛石氮化硅氮化硼

導讀：超硬材料通常是指金剛石和立方氮化硼，或由這兩種材料為主要成分分別制成的復合材料，代表指硬度極高的材料，冠以“工業牙齒”或“材料之王”之稱。其中，金剛石（Diamond）作為目前已知的世界上最...

超硬材料通常是指金剛石和立方氮化硼，或由這兩種材料為主要成分分別制成的復合材料，代表指硬度極高的材料，冠以“工業牙齒”或“材料之王”之稱。其中，金剛石（Diamond）作為目前已知的世界上最硬的物質，已是家喻戶曉。而立方氮化硅（cBN）了解的人相信并不多，它為什么能夠成為硬度僅次于金剛石的存在，它究竟存在著怎樣的神秘面紗？本文就立方氮化硼進行簡要講解。

立方氮化硼（左） cBN與其他材料硬度對比（右）

一、立方氮化硼晶體結構

氮化硼（BN）由氮、硼兩種原子組成。氮、硼原子通過不同的雜化方式相互作用，從而構成具有不同晶體結構的BN材料，包括：六方氮化硼（hBN）、菱方氮化硼（rBN）、纖鋅礦氮化硼（wBN）和立方氮化硼（cBN）。在一定的溫度壓力條件下，不同晶體結構的BN之間可以通過相變反應來實現相互轉變。立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問世后出現的又一種新型產品。其中 cBN的晶體結構是閃鋅礦結構，屬于面心立方晶系，晶體中原子的排列可以看作是兩個彼此錯開1/4對角線的面心立方相互嵌套而成。

氮化硼不同晶體結構

氮化硼各晶體結構系數

二、立方氮化硼的特性與應用

盡管立方氮化硼硬度不及金剛石，但是它在很多方面的性質卻優于金剛石。與金剛石相比，它具有更好的熱穩定性和化學穩定性，除此之外，它還具備優良的抗氧化性能和導熱性能等。金剛石磨具在高溫下加工含鐵或鎳元素材料時易產生石墨化而失效，但cBN卻能保持足夠高的力學性能。

立方氮化硼特性

性質	應用
物理性質	高的熱導率、與多種金屬不浸潤	鑄模中的離型劑、鑄劑噴嘴、電力轉換絕緣材料、有機聚合物的結合劑或填充劑
	高的熱穩定性	高溫耐火材料
	高溫潤滑性	研磨工具、機油制品
化學性質	抗腐蝕、抗氧化性	耐腐蝕涂層、耐氧化涂層
電學性質	薄膜表面負電子親和勢	場發射器件
	壓電性	平面光波導及聲表面器件
	hBN薄膜	電極材料、電極涂層、半導體熱沉、MIS結構柵極
光學性質	從紫外到遠紅外甚至微波頻段范圍透過，在紅外區800cm^-1和1380cm^-1兩個主要吸收模式	雷達與紅外窗口

cBN應用

三、立方氮化硼的合成方法簡介

立方氮化硼的合成方法很多，從原理上基本上可以分為：高壓合成法和低壓合成法。高壓法主要包括靜態高壓法和沖擊壓縮法（爆炸法）；低壓合成法，即亞穩區域生長法，主要包括氣相沉積法和水熱法。具體分類如圖5所示。在這合成方法中，應用最為廣泛的為靜態高壓觸媒法，其次為爆炸法和晶種溫度梯度法，氣相沉積法主要用于薄膜生長。

立方氮化硼的合成方法

制備方法	制備原理	特點
靜態高壓觸媒法	以液壓裝置產生高壓、以交流或直流電通過裝試料的石墨發熱體間接加熱產生高溫，在觸媒材料的參與下合成cBN晶體的方法。	有效地降低 hBN-cBN相轉變壓力，已成為工業生產cBN的最主要的方法。但存在合成時間長、合成效率低、合成成本高等缺點。
晶種溫度梯度法	是一種通過將小顆粒cBN單晶加入觸媒溶劑中作為晶種，添加hBN原料，溶解的B-N在合成腔溫度梯度的作用下到達低溫去的小顆粒cBN單晶，從而在小顆粒單晶表面沉淀呈現生長的方法。	能夠生產出毫米量級的大顆粒cBN單晶，且晶體雜質少、高質量，但是合成所需時間較長，合成成本較高。
靜態高溫高壓直接轉變法	在高溫高壓條件下實現 hBN 直接轉變為cBN單晶的方法，轉變過程中沒有觸媒的參與。	設備成本高、實驗組裝復雜、合成時間長，并不適用于實際工業生產中。
爆炸法	主要為利用烈性炸藥爆炸時產生的高溫和高壓（>10 GPa，2000 K）直接作用于 hBN，從而實現 hBN 向 cBN的直接轉變。	所需設備簡單、合成成本低及生產效率高，但是存在較大的安全隱患，且得到的晶體后期提純較為困難，不適合大尺寸的制備。
氣相沉積法	在高溫和低壓的條件下，在襯底上沉積由氮和硼原子形成的亞穩態氣體，從而得到cBN薄膜的一種方法。	不需要使用復雜的高壓設備，生產成本較低，廣泛應用于制備cBN薄膜。
水熱法	在一定的溫度和壓力環境下，通過水溶液中的物質發生化學反應，從而得到cBN微晶和納米晶的一種方法。	便于操作，實驗成本低，適合制備結晶度較高、密度較低的cBN微晶和納米晶。

表3 cBN的制備方法簡介

總結：

由于c-BN生長條件的苛刻，目前很難獲得高質量的cBN大尺寸單晶，在合成過程中存在的主要問題包括：粘附性問題、厚度問題、純度問題、成核及生長機理問題。同時，合成大尺寸、高質量cBN單晶是獲得功能器件應用的必然選擇，可是cBN晶體的大尺寸化遠沒有金剛石做得成功。但不可否認，cBN有眾多優異的性能，像它很寬的能帶間隙（Eg > 6.2 eV），是一種新型第三代半導體材料，可以廣泛應用于光學和量子計算領域。因此，加快突破cBN大尺寸、高質量的合成，促進cBN在更多新興領域的探索及應用是非常重要的。我們相信，在未來超硬材料領域，立方氮化硼將成為一顆冉冉升起的“巨星”。

參考來源：

1、超硬材料合成方法、結構性能、應用及發展現狀張旺璽等

2、cBN基復合材料的高溫高壓制備與表征褚棟梁

3、高溫高壓合成優質立方氮化硼的結構和工藝研究林樹忠

4、大單晶立方氮化硼的高溫高壓制備與表征魏征

5、立方氮化硼、六方硼碳氮化合物的高壓合成及應用研究楊大鵬

6、金剛石/立方氮化硼異質外延界面的第一性原理研究趙德鶴

作者：晴天