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?六方氮化硼的性質與作用

發布時間:2021-10-14 15:35:39

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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六方氮化硼(h-BN)陶瓷是一種有著巨大發展潛力的高溫結構陶瓷材料,具有類似石墨結層狀結構的新材料,象牙白色,俗稱“白石墨”,其無明顯溶點,在高溫下無軟化現象,耐強酸強堿腐蝕。



六方氮化硼的結構

h-BN與石墨晶體結構相似,每一層都是B、N原子交替排列成的六元環狀網絡,這些六元環原子層延c軸方向按照ABABAB方式排列,層內原子通過共價鍵相結合,結合力強,要到3000℃以上才會斷裂分解。


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h-BN 晶體結構示意圖


層與層之間由異層的B、N原子通過范德華力相連接,結合力較弱,層間距離較大,層與層之間容易滑動。所以h-BN層內B、N原子間距為0.1446nm,層間原子間距為0.335nm,具有明顯的各向異性。


六方氮化硼的性質

h-BN陶瓷的熱學性能

h-BN陶瓷具有優異的耐熱性能,在一個大氣壓的氮氣氣氛下,會在3000℃下升華,在其他惰性氣氛中的最高許用溫度也可達2800℃;而在中性與還原氣氛中,也可耐2000℃左右的高溫;雖然h-BN在空氣氣氛下易被氧化,但其在900℃下抗氧化性良好,因而在空氣氣氛中的使用溫度也可達900℃。


h-BN具有優異的單向導熱性能,常溫下h-BN陶瓷平行方向的熱導率可達60W/(nvK)。且其熱導率隨溫度的升高下降的趨勢較弱,在500℃以上時,熱導率高于BeO,在陶瓷材料中高居首位。


h-BN陶瓷的熱膨脹系數較低,僅高于石英玻璃,在陶瓷中屬于較低的一類,其抗熱震性能良好,其熱壓制品在1200℃高溫下空冷至室溫的條件,循環上百次樣品也不會開裂。


h-BN陶瓷的電學性能

h-BN結構中無自由電子,有良好的電絕緣性,高溫絕緣的理想材料之一。室溫下其擊穿電壓是氧化鋁陶瓷的2倍,介電損耗極低,可透紅外線與微波。


h-BN陶瓷的耐腐蝕性

h-BN陶瓷化學性質十分穩定,與大多數的熔融金屬、玻璃和鹽既不潤濕也不反應,有較強的抗酸、堿、熔融金屬和玻璃熔渣侵蝕能力。


h-BN陶瓷的機械性能

h-BN陶瓷其莫氏硬度為2,質軟,截面之間的摩擦系數y很低,僅為0.16。具有明顯的各向異性,可以像石墨一樣通過車削加工設備進行機加工,其加工精度可達0.01。


表1 h-BN的基本性質

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六方氮化硼的應用

氮化硼耐高溫且電絕緣性能,廣泛應用于火箭燃燒室的襯里、高溫熱電偶保護套、高頻高壓焊接工具的高溫絕緣部件、多種加熱器的襯套、宇宙飛船的熱屏蔽材料等。


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氮化硼熱電偶保護套管


利用h-BN的化學穩定性好、熱導率高、抗熱震等特性,在冶金工業中可以作熔煉稀有金屬、貴金屬的坩堝;可以用作非晶材料的陶瓷噴嘴;用作耐火材料、散熱片、換熱器等部件;在制造薄膜電容時,用h-BN作為熔融鋁的蒸發裝置,可以收到高質高產的效果。


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氮化硼坩堝


在電子工業中,h-BN制品可用作各種半導體封裝散熱底板及移相器的散熱棒、行波管收集極的散熱管等;利用h-BN陶瓷對微波透過性好,可以作為國防工業中雷達的窗口材料或與吸波材料相復合制作隱身材料;利用h-BN陶瓷較強的中子吸收特性,可以在原子能工業中,作為原子堆的屏蔽材料等。


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氮化硼散熱板




(參考文獻:六方氮化硼陶瓷的制備與性能研究_景捷)



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