六方氮化硼为啥这么好“滑”？

2021-07-22 09:31:33

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100多年前，有一种除了结构以外，就连性能都与石墨非常相近的材料问世，那就是六方氮化硼（h-BN）。它是由56.4%的氮原子核43.6%的硼原子所构成的晶体，由于自身洁白，因此也被叫作“白石墨”。氮化硼

h-BN具有很多优异的性能，其中显著也令人称道的就是它很“滑”。从上图可以看出，h-BN的晶格结构和石墨十分相似，硼原子和氮原子交错排列，组成一张六边形为单位的无限边界网络，即单层h-BN；当很多层这样的网络沿着c轴方向以ABAB……的方式无限堆叠后便形成三维的六方氮化硼。

在每一个原子层内，硼原子和氮原子之间都由强力的sp²杂化共价键相连接，键长为a=b=0.2504nm；每相邻的两层原子层之间能够依靠较弱的原子间作用力——范德华（vanderWaals）力相连接，键长c=0.6661lnm。所以，h-BN在c轴方向上结合力很小，原子间的距离又大，层与层之间很容易滑动，即使在高温下也有着很好的润滑性。

团聚型氮化硼

一般来说，润滑油添加剂都是通过改变吸附在运动体表面的润滑油油膜形式，防止摩擦副表面在相互运动时发生粗糙表面微凸体的接触，从而提高表面的润滑性和抗磨性。目前，利用纳米润滑材料制备润滑添加剂，是提高润滑油减摩抗磨性能的主要手段。

这些纳米材料在润滑油中主要发挥两个作用，一是“微型球轴承效应”；二是“自修复效应”。它们会在摩擦副运动工作时进入摩擦副表面，改变摩擦副之间的摩擦方式——从纯滑动摩擦转变为滑动与滚动复合摩擦，由于滚动摩擦的摩擦系数要比滑动摩擦小一个数量级，因此摩擦磨损得以下降。

与报道较多的金属纳米粒子（如铜、铁）相比，h-BN在润滑剂中其实更具应用优势。这是因为软性的纳米添加剂虽然性能优异，但其在润滑油使用过程中消耗快，对摩擦副之间的阻隔作用会逐渐下降，从而降低了润滑油的使用寿命；另一方面，这些金属纳米粒子多为多面体形状，表面原子呈阶梯状分布，活性很高，对润滑油的作用主要通过对摩擦副表面的自修复效应来完成，其“微型球轴承”效应并不明显。

层状结构的h-BN作为一种优良固态润滑剂，相对于液态或半固态润滑剂具有承载能力高、高温下稳定性好、稳定的物理性质等优点。它可以分散在耐热润滑油脂、水或溶剂中，喷涂在摩擦表面上，待溶剂挥发而形成干膜；也可填充在树脂、陶瓷、金属等表层作为耐热高温自润滑材料。

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