中國(guó)粉體網(wǎng)訊 4月29日，中國(guó)空間站“天和核心艙”搭乘長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭，在文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。記者從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所多項(xiàng)新材料技術(shù)在“天和”核心艙獲得應(yīng)用。其中，首次應(yīng)用于核心艙電推進(jìn)系統(tǒng)中的霍爾推力器腔體，采用了氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，該材料具備低密度、高強(qiáng)度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，滿足了推力器對(duì)陶瓷腔體材料的要求。
（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
實(shí)際上，陶瓷并不是首次應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的。在航天火箭渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)用的氮化硅陶瓷軸承，地球衛(wèi)星上所需的高剛度、高硬度碳化硅反射鏡，美國(guó)、以色列等國(guó)在高超聲速飛行器上用的氮化硅材料制作的天線罩/窗等都采用了特種陶瓷材料。那么這次中國(guó)的霍爾推力器腔體所用的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料究竟有什么魅力呢？下面我們一起走進(jìn)氮化硼的世界。
1 氮化硼陶瓷概述
氮化硼(BN)是由等量的硼元素（B）和氮元素（N）組成的一種化合物，1842年Balmain等使用熔融的硼酸（H2BO3）和氰化鉀（KCN）首次制成了氮化硼。
氮化硼具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性，如：化學(xué)穩(wěn)定性高、高耐熱性、高導(dǎo)熱性、與多種金屬不浸潤(rùn)等，這些優(yōu)異的性質(zhì)使BN陶瓷材料在航空航天、冶金、機(jī)械和電子等高科技領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
氮化硼陶瓷是一種性能優(yōu)異并有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞沾刹牧?目前普遍認(rèn)為主要有六方氮化硼(h-BN)、纖鋅礦氮化硼(w-BN)、三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和斜方氮化硼(o-BN)5種異構(gòu)體。其中最常見(jiàn)的是類似石墨的h-BN和類似金剛石的c-BN，下面簡(jiǎn)單介紹一下這兩種。
1.1 六方氮化硼(h-BN)
最早的應(yīng)用是作為高溫潤(rùn)滑劑的六方氮化硼。h-BN 為六方晶系，結(jié)構(gòu)和性能均與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。其晶體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。
圖2 六方氮化硼的晶體結(jié)構(gòu)示意圖
（圖片來(lái)源：現(xiàn)代陶瓷技術(shù)期刊）
h-BN在惰性氣氛下分解溫度超過(guò)3000℃，在常壓下加熱至 2500℃時(shí)升華并部分分解，其理論密度為 2.27 g/cm3。h-BN陶瓷具有出色的熱穩(wěn)定性、高的熱導(dǎo)率、低熱膨脹、高耐熱沖擊性、高電阻率、低介電常數(shù)和介電損耗、微波透波、無(wú)毒、易于機(jī)加工、潤(rùn)滑、化學(xué)惰性，并對(duì)大部分熔融金屬不潤(rùn)濕。
1.2 立方氮化硼(c-BN)
立方氮化硼，是人工合成的一種超硬材料。通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)熱性。其硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。立方氮化硼還具有高的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族金屬及其合金的化學(xué)惰性。它作為工程材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于黑色金屬及其合金材料加工工業(yè)。同時(shí)，它又以其優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等性能，在一系列高科技領(lǐng)域得到應(yīng)用，成為一種具有發(fā)展前景的功能材料。立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達(dá)到高精度的加工表面，適用于樹(shù)脂、金屬、陶瓷等結(jié)合劑體系，亦可用于生產(chǎn)聚晶復(fù)合片燒結(jié)體，還可用做松散磨粒、研磨膏。
2 氮化硼制作方法
2.1 高溫高壓合成法
1957年Wentorf首次人工合成立方BN。在溫度接近或高于1700℃，最低壓強(qiáng)為11～12GPa時(shí)，由純六方氮化硼直接轉(zhuǎn)變成立方氮化硼。隨后人們發(fā)現(xiàn)使用催化劑可大幅度降低轉(zhuǎn)變溫度和壓力。常用的催化劑為：堿和堿土金屬、堿和堿土氮化物、堿土氟代氮化物、硼酸銨鹽和無(wú)機(jī)氟化物等。其中以硼酸銨鹽作催化劑所需的溫度和壓力最低，在1500℃時(shí)所需壓力為5GPa，而在壓力為6GPa時(shí)其溫度區(qū)間為600～700℃。由此可見(jiàn)，雖然加催化劑可大大降低轉(zhuǎn)變溫度和壓力，但所需的溫度和壓力還是較高。因而其制備的設(shè)備復(fù)雜、成本高，其工業(yè)應(yīng)用受到限制。
2.2 化學(xué)氣相合成法
1979年Sokolowski成功利用脈沖等離子體技術(shù)在低溫低壓下制備成立方氮化硼膜。所用設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝易于實(shí)現(xiàn)，因此得到迅速發(fā)展。已出現(xiàn)多種氣相沉積方法。傳統(tǒng)來(lái)講主要是指熱化學(xué)氣相沉積。實(shí)驗(yàn)裝置一般由耐熱石英管和加熱裝置組成，基體既可以通過(guò)加熱爐加熱(熱壁CVD)，也可以通過(guò)高頻感應(yīng)加熱(冷壁CVD)。反應(yīng)氣體在高溫基體表面發(fā)生分解，同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)沉積成膜，反應(yīng)氣體有BCl3或B2H4與NH3的混合氣體。
2.3 水熱合成法
此方法是在高壓釜里的高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中，采用水作為反應(yīng)介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，反應(yīng)還可進(jìn)行重結(jié)晶。水熱技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是其相對(duì)低的溫度，二是在封閉容器中進(jìn)行，避免了組分揮發(fā)。作為一種低溫低壓合成方法，被用于在低溫下合成立方氮化硼。
3.4 苯熱合成法
作為近年興起的一種低溫納米材料合成方法，苯熱合成受到廣泛關(guān)注。苯由于其穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)，是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑，最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術(shù)，如反應(yīng)式：
BCl3+Li3N→BN+3LiCl
或BBr3+Li3N→BN+3LiBr
反應(yīng)溫度只有450℃，苯熱合成技術(shù)可以在相對(duì)低的溫度和壓力下制備出通常在極端條件下才能制得的、在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相。這種方法實(shí)現(xiàn)了低溫低壓制備立方氮化硼。但是這種方法尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，是一種很有應(yīng)用潛力的合成方法。
2.5 自蔓延技術(shù)
利用外部提供必要的能量誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)，體系局部發(fā)生反應(yīng)形成化學(xué)反應(yīng)前沿(燃燒波)，化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下快速進(jìn)行，燃燒波蔓延整個(gè)體系。這種方法雖然是傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)合成方法，但近年才有報(bào)道用于氮化硼的合成。
2.6 碳熱合成技術(shù)
該方法是在碳化硅表面上，以硼酸為原料的，碳為還原劑，氨氣氮化得到氮化硼的方法，所得產(chǎn)物純度很高，對(duì)于復(fù)合材料的制備具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
2.7 離子束濺射技術(shù)
利用離子束濺射沉積技術(shù)，得到立方氮化硼和六方氮化硼的混合產(chǎn)物。這種方法雖然雜質(zhì)較少，但是由于反應(yīng)條件難以控制，因此產(chǎn)物的形態(tài)難以控制，對(duì)這種方法的研究還有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
2.8 激光誘發(fā)還原法
用激光作為外加能源，誘發(fā)反應(yīng)前驅(qū)體之間的氧化還原反應(yīng)，并使B和N結(jié)合從而生成氮化硼，但是這種方法得到的也是混合相。
3 小結(jié)
在黨的領(lǐng)導(dǎo)下，幾代科研工作者守正創(chuàng)新、薪火相傳，我國(guó)終于把“陶瓷”送上了藍(lán)天。但氮化硼陶瓷材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)性能，路漫漫而修遠(yuǎn)，相信在科學(xué)家們的不懈努力下，氮化硼復(fù)合基陶瓷必將迎來(lái)更加廣闊的前景。
參考來(lái)源：
【1】科技日?qǐng)?bào).《多項(xiàng)新技術(shù)用于“天和”核心艙》.
【2】張振昊，孫海濱等.六方氮化硼在絕緣導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料中應(yīng)用研究進(jìn)展.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷.2020年，41（4）.
【3】邵長(zhǎng)偉，龍?chǎng)蔚?氮化物陶瓷纖維的制備、結(jié)構(gòu)與性能.航空制造技術(shù).2020年，63（15）.
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【5】程江龍.功能化氮化硼及其復(fù)合材料制備及性能研究.2018.4.21.
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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