六方氮化硼由相等原子個(gè)數(shù)的 B、兩種元素構(gòu)成。它不是自然產(chǎn)生的化合物，最早是由 Balmain在1842年通過熔融的硼酸(H;BO3)與化鉀(KCN)合成得到的而其性質(zhì)的正式確認(rèn)則是在1850年由Wohler 通過幾乎純凈的氮化硼化合物完成的。h-BN的理論密度為2.27g/cm其晶體具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，粉體狀態(tài)呈現(xiàn)松散、潤(rùn)滑、易吸潮、質(zhì)輕等性狀，燒結(jié)得到的純 h-BN 塊體是純白色的，所以其又被稱為“白色石墨”。獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了 h-BN 一系列特殊的性能。

氮化硼陶瓷零件

一、氮化硼特性—力學(xué)性能

與氧化鋁(AlO?)、氧化鋯(Zr2)碳化硅(SiC)氮化硅(SN)等陶瓷材料不同，h-BN 陶瓷屬于軟性材料，其莫氏硬度僅為 2，是所有陶瓷材料中硬度低的。h-BN 的彈性模量、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能也相對(duì)較低，傳統(tǒng)純 -BN 陶瓷的彈性模量為 30~40GPa，抗彎強(qiáng)度也僅為 50~70MPa，難以滿足大多數(shù)構(gòu)件對(duì)力學(xué)性能的要求。通過添加燒結(jié)助劑和增強(qiáng)相等方式，可以有效提高其性能使 h-BN 基復(fù)相陶瓷的彈性模量提高到 70~80GPa，抗彎強(qiáng)度達(dá)到 200 MPa以上。

此外，純 h-BN 陶瓷具有良好的高溫力學(xué)性能，在高溫下沒有類似石墨的負(fù)載軟化現(xiàn)象，在室溫至 1000℃ 乃至更高的溫度范圍內(nèi)，其抗查強(qiáng)度能夠保持不降低甚至有所提升，這對(duì)于將其應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)件是十分有利的，可提高其在高溫環(huán)境下使用的可靠性。而 h-BN 基復(fù)相陶瓷中第二相往往會(huì)對(duì)高溫性能產(chǎn)生不利影響，如氧化硼(BO?)經(jīng)常作為 h-BN 陶瓷的黏結(jié)劑和雜質(zhì)相存在，但含有BO的 h-BN 陶瓷一旦溫度升高，其性能將迅速下降，抗彎強(qiáng)度從室溫時(shí)的 100 MPa降低到1000C時(shí)的14MPa。

由于 h-BN 陶瓷硬度低，且具有自潤(rùn)滑特性，因此其機(jī)械加工性能好，可以通過常規(guī)的車、銑、鉆、磨、切等方法進(jìn)行加工，制成各種形狀復(fù)雜的構(gòu)件。h-BN還可以作為改性加入其他陶瓷中，降低材料的硬度，改善可加工性。

氮化硼陶瓷結(jié)構(gòu)件

二、氮化硼特性—熱學(xué)性能

h-BN 具有良好的高溫穩(wěn)定性，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下無(wú)明顯熔點(diǎn)，在 3000℃ 以上發(fā)生升華。在氮?dú)?N)或氣(Ar)氣中hBN 的耐熱溫度可達(dá)到2800℃不發(fā)生軟化，在中性還原氣氛中耐熱溫度也可達(dá) 2000℃;但其在氧氣(0?)氣氛中易發(fā)生氧化生成低熔點(diǎn)的氧化硼，導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差，使用溫度一般在 900℃以下。

h-BN具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，熱壓致密塊體陶瓷的室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 50W/(mK)以上，在陶瓷材料中僅次于氧化鎖 (Be0，243 W/(m·K)) 和氮化鋁(AIN175W/(mK))，與鋼鐵的熱導(dǎo)率接近。值得指出的是，h-BN 陶瓷的熱導(dǎo)率隨溫度上升而下降的趨勢(shì)不大，在 600C 以上時(shí)，其熱導(dǎo)率高于 Be0，在 1000時(shí)垂直c軸排列方向的熱導(dǎo)率約為27 W/(m·K)高于絕大部分電絕緣體(熱燒結(jié)的 h-BN 存在織構(gòu)特征，導(dǎo)致不同方向的性能有差異)。如果通過向其中添加燒結(jié)助劑、改性相等來提高 h-BN 基復(fù)相陶瓷的致密度，其熱導(dǎo)率可望得到進(jìn)一步的提高。

h-BN 陶瓷的熱膨脹系數(shù)也相對(duì)較低，對(duì)于燒結(jié)后不存在明顯結(jié)構(gòu)的塊體陶瓷，其熱膨脹系數(shù)為(2.5~4) 10^-6 K^-1。但對(duì)于存在明顯晶粒擇優(yōu)取向排列的織構(gòu) h-BN 陶瓷，其沿垂直于c軸排列方向的熱膨脹系數(shù)一般小于1x10^-6 K^-1而平行于c軸排列方向的熱膨脹系數(shù)則顯著增大，可達(dá) 10 X 10^-6 K^-1以上，兩者相差可達(dá)10 余倍。

基于較高的熱導(dǎo)率、較低的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，h-BN 陶瓷具有優(yōu)異的抗熱沖擊性能，材料經(jīng)受反復(fù)強(qiáng)烈熱震后也能保持不被破壞。熱壓 h-BN 陶瓷試樣在1000℃高溫環(huán)境中保溫20 min 后，立即移入空氣中冷卻或用風(fēng)扇冷卻至室溫，再送回高溫環(huán)境中，如此反復(fù)循環(huán)數(shù)百次仍可保持材料不發(fā)生開裂破壞，只是強(qiáng)度略有降低。

三、氮化硼特性—電學(xué)性能

h-BN 是良好的室溫和高溫電絕緣體。在干燥環(huán)境下，高純度 h-BN 陶瓷電陽(yáng)率可達(dá)10^16~10^18cm，即使在1000℃電阻率仍可保持在10~10cm但隨著濕度的增加，h-BN 的電阻率會(huì)有所下降;h-BN 具有很高的擊穿電壓，可達(dá)30~40kV/mm，因此其是作為高頻絕緣、高絕緣、高溫絕緣的理想候選材料;h-BN 的介電常數(shù)e值為3~5，介電損為(2~8) 10^-4，這在陶瓷材料中也是比較小的。

三、氮化硼特性—化學(xué)性能

h-BN 具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于冷水，在沸水中水解非常緩慢并產(chǎn)生少量的硼酸和氨(NH;)。h-BN 對(duì)各種無(wú)機(jī)酸、堿、鹽溶液及有機(jī)劑均有相當(dāng)?shù)目垢g能力，在大多數(shù)酸、堿中都具有極好的穩(wěn)定性，在室溫下與弱酸和強(qiáng)堿均不起反應(yīng)，在濃硫酸、硝酸、磷酸等溶液中浸泡 7天的試樣質(zhì)量損失率均小于10%，微濟(jì)于熱酸，用熔融的氫氧化鈉(NaOH)、氧化鉀(KOH)等處理后才能發(fā)生分解。此外，h-BN 對(duì)大多數(shù)金屬和玻璃的高溫熔體既不潤(rùn)濕也不發(fā)生反應(yīng)因此其可作為熔制各種金屬的理想堆塌材料。