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“多变”的氮化硼与它的多样用途

2024-01-29 13:04:13

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      氮化硼是由氮原子和硼原子构成的晶体,除了常见的六方氮化硼白石墨)外,还有立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纤锌矿型氮化硼(WBN)等变体,科学家甚至还发现了与石墨烯性质类似的二维氮化硼晶体。

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不同的氮化硼变体具有不同的特点和应用。以六方晶型的白石墨为例,氮原子和硼原子组成的六边形网状结构与石墨中的碳原子六边形网状结构极为相似,因此在某些方面具有相近的性质,如二者都具有耐热性、耐磨性、润滑性等特性;但白石墨还具有一些独特的性质,如石墨既能导热也能导电,而白石墨能导热但不能导电。

手机烫了,来点氮化硼

      氮化硼的导热性能很强,热膨胀系数很低,绝缘性能很好,同时还耐腐蚀和耐高温。六方氮化硼导热系数为56.94瓦每米·摄氏度,立方氮化硼的导热系数为79.54瓦每米·摄氏度,仅次于金刚石。国外的一项研究显示,单层六方氮化硼在室温下的导热系数高达751瓦每米·摄氏度。既导热又绝缘的氮化硼粉体,在电子领域中备受青睐,有望成为下一代柔性电子器件散热的首 选材料。

氮化硼粉体

      对于高密度和大功率电子产品来说,做好热管理是一个急迫的问题。比如,随着LED技术的普及,“农业工厂”应运而生。为了弥补光照的不足,用LED植物照射灯代替太阳光就成了一个成熟的解决方案。

      尽管与其他照明设备相比,LED灯具有很高的能量转换效率,但理论上总的电光转换效率仍只有54%。这就意味着LED植物照射灯仍会有大量的热能释放。特别是当LED芯片温度超过140°C时,其寿命的缩短就会成为一个不容忽视的问题。如何为LED灯降温,六方氮化硼再次走进科学家的视野。用六方氮化硼作为填料来制作具有优良电绝缘性和化学稳定性的导热塑料,可以提高其导热性能。

为“电火箭”装颗“陶瓷心脏”

      随着中国空间站“天和”核心舱的发射入轨,霍尔电推进器的“陶瓷心脏”成为人们的关注热点。这颗“陶瓷心脏”就是用白石墨复合材料打造的。

      挑战太空,人类一直使用化学动力,即通过燃烧化学推进剂来产生动力。航天器发射入轨后,也需要动力来支持轨道和姿态的调整,所以必须携带化学燃料或者在轨补加燃料。而携带化学燃料不仅加大了发射成本,而且在一定程度上影响着航天器的空间任务能力。在这样的背景下,电推进技术逐步走向应用的前台。我国空间电推技术研究起步于20世纪60年代,经过几十年的技术攻关终于取得了多项技术突破。2020年1月,我国首款20千瓦大功率霍尔电推进器成功完成点火试验,并达到了国际先进水平。

     “天和”核心舱配置的4台霍尔电推进器,利用核心舱太阳能翼产生的电能,为空间站轨道维持和安全飞行提供动力支持。霍尔电推进器是等离子体推力器的一种,其原理是利用强电场将离子加速喷出,通过其反作用力来进行姿态调整或者轨道提升。霍尔电推进器具有推力小、比冲高的特点。比冲是评价火箭推进剂性能的技术参数,比冲越高则表示在一定条件下推进剂产生的速度增量越大。

      空间站在轨运行,由于微重力以及近地空间稀薄大气阻力的影响,轨道高度的衰减是不可避免的。不过,不需要多大的推力就能做到轨道保持。电推力虽小但可以精准调控,以提升任务执行能力。高比冲则可以大幅减少航天器携带的化学燃料,以扩展空间任务的范围等。

      在霍尔电推进器中,等离子体的电离和加速需要在放电腔中完成。霍尔电推进器需要一颗坚强的“心脏”,来产生精 确可调的推力。打造这颗坚强的“心脏”,必须满足耐高温、抗热震、耐离子溅射、绝缘性好等条件,才能胜任放电腔的严酷工作。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研制的氮化硼陶瓷基复合材料,正好满足了电推进器对放电腔材料的特殊要求。

像金刚石一样硬起来

      以顺滑著称的白石墨,也能硬起来。20世纪50年代,科学家通过改变白石墨的结构,合成了一种立方氮化硼的单晶体。它是继人造金刚石问世之后的又一种超硬材料,硬度略低于金刚石,但耐高温性要远远优于金刚石,尤其对铁系金属元素具有很好的化学稳定性。

PCBN氮化硼聚晶工具

     20世纪70年代,聚晶立方氮化硼(PCBN)问世。聚晶立方氮化硼的硬度很高,仅次于金刚石的硬度;抗弯强度和断裂韧性介于硬质合金和陶瓷之间;热稳定性要高于人造金刚石,在1300℃时仍可以进行切削作业;在1200~1300℃高温条件下不易与铁系材料发生化学作用。

      以“硬”闻名的立方氮化硼,用途之一是制作砂轮、油石之类的磨具,用途之二就是制作钻头、车刀、绞刀、铣刀之类的切削工具。特别是用于加工淬硬钢、耐磨铸铁、钛合金等一类难加工材料时具有一定优势,并且还非常适合用于数控机床加工。

绝活特用,前景看好

      基于硅的半导体工业,让人们深切感受到了现代电子产品的魅力。然而,用硅半导体制作的电子器件难以适应高温等极端条件的挑战。在这样的背景下,白石墨具有的宽带隙、高热导率、高电阻率、高迁移率等特性引起了科学家的重视。特别是白石墨的衍生产品立方氮化硼,有望成为第三代半导体材料。有研究机构用氮化硼材料制成了高温半导体PN结器件,在650℃条件下能够正常工作。这就为制造能适应极端条件的电子器件拓展了视角,从而为半导体工业带来了新的希望。

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化硼纳米薄膜(左)、纳米管(右)结构示意图

      用氮化硼材料制备能耐受高温、高频、大功率、高辐射等极端条件的电子器件,就有可能解决许多特殊场合的应用难题。近年来,氮化硼薄膜材料的制备已成为半导体材料的一个研究热点。由于氮化硼薄膜具有高硬度和抗热性,并且在从紫外到远红外的整个波段都具有高透过率,因此适合用作大功率激光器和探测器的窗口材料。

       氮化硼纳米管的合成更是为氮化硼材料的高科技应用创造了机会。据悉,氮化硼纳米管耐热绝缘、抗氧化,并且具有很强的弹性和韧性,有望在航空、航天等特殊行业获得应用。有研究机构计划将氮化硼纳米管应用于锂硫电池以提高其性能,促进其商业化。

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