氮化硼作為一種性能優(yōu)異且有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞沾刹牧?,共包括五種異構(gòu)體,分別為六方氮化硼(h - BN)、立方氮化硼(c - BN)、纖鋅礦氮化硼(w - BN)、菱方氮化硼(r- BN)和斜方氮化硼(o - BN)。
氮化硼粉末具有松散、潤(rùn)滑、質(zhì)量輕、易吸潮等性質(zhì),顏色潔白,制品則呈現(xiàn)象牙白色。
氮化硼國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程:
氮化硼(BN)陶瓷是最早在1842年被人發(fā)現(xiàn)的化合物,國(guó)外對(duì)BN材料的研究自二戰(zhàn)結(jié)束后開始,但直到1955年研究人員解決了BN的熱壓方法后才正式發(fā)展起來的。此后,美國(guó)金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投入了生產(chǎn),1960年已生產(chǎn)10噸以上;日本開始每年從美國(guó)進(jìn)口大量BN產(chǎn)品,其后日本有三家公司也進(jìn)行了幾年的研究,并于1969年初試制成功,1970年投產(chǎn)。從國(guó)內(nèi)來看,我國(guó)是1963年開始進(jìn)行對(duì)BN粉末的研究,1966年研制成功,1967年就將其投入生產(chǎn)并應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)和尖端技術(shù)之中。
1 氮化硼陶瓷的物理化學(xué)性能
(1)熱性能:氮化硼制品可以在1000℃左右的氧化氣氛中和近3000℃的惰性氣氛中使用。這一性質(zhì)比莫來石、氧化鋁和碳化硅耐火度高的耐火材料。同時(shí)耐熱沖擊性大,在1500℃的急冷急熱環(huán)境下也不會(huì)產(chǎn)生破裂。
(2)化學(xué)穩(wěn)定性:同絕大多數(shù)金屬如溶液鐵、鋁、銅、硅、砷化鉀、黃銅和冰晶石等均不起作用,礦渣玻璃亦是如此,因此氮化硼材料制成的容器可以作為上述物質(zhì)的器皿。但是一般含有B2O3的具有吸濕性,這使得產(chǎn)品使用過程中急速加熱會(huì)把吸進(jìn)的水滲出來,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋,改善這一缺點(diǎn)的有效措施之一可以摻加一些結(jié)合劑。
(3)電性能:由于BN制品介電常數(shù)和介電損失都小,可以廣泛地用于高頻范圍和低頻范圍內(nèi)。它的介電強(qiáng)度是氧化鋁的4.5倍,介電常數(shù)是氧化鋁的二分之一,電性能同石墨相差很大,同氧化物陶瓷一樣在高溫下無導(dǎo)電性,是一種可以在較大溫度范圍內(nèi)使用的電絕緣材料。
(4)機(jī)械加工性能:BN陶瓷莫氏硬度為二??稍谲嚧病姶驳燃庸ぴO(shè)備上加工;也可加工成薄片和螺旋體及各種形狀復(fù)雜的零件。BN的機(jī)械強(qiáng)度低,雖在室溫下比石墨優(yōu)越,但較氧化物陶瓷脆性高。
(5)潤(rùn)滑性:BN粉末為六方晶系品體,是一種白色薄片狀的微細(xì)材料,同石墨類似,俗稱白石墨,潤(rùn)滑優(yōu)良。
(6)輕質(zhì):BN是陶瓷材料中重量較小的材料。
(7)對(duì)中子吸收的性質(zhì):BN對(duì)中子吸收斷面大。
2 氮化硼陶瓷的應(yīng)用舉例
目前對(duì)BN的研究主要集中在對(duì)其六方相(h - BN)和立方相(c - BN)上的研究。前者具有潤(rùn)滑性、導(dǎo)熱性和良好的高溫性能。后者在常溫常壓下也處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。h - BN 的主要應(yīng)用領(lǐng)域還是作為合成立方氮化硼的原料。
(1)六方氮化硼的應(yīng)用
六方氮化硼是一種耐高溫、耐腐蝕、高導(dǎo)熱率、高絕緣性以及潤(rùn)滑性能優(yōu)良的材料,目前的情況來看簡(jiǎn)化工藝、降低生產(chǎn)成本、提高元件的使用壽命是這類材料目前比較活躍的研究方向。
①利用六方氮化硼優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性,可用作熔煉蒸發(fā)金屬的坩堝、舟皿、液態(tài)金屬輸送管、火箭噴口、大功率器件底座、熔化金屬的管道、泵零件、鑄鋼的模具等。
②利用六方氮化硼的耐熱耐蝕性,可以制造高溫構(gòu)件、火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流件發(fā)電機(jī)的耐蝕件等。
③利用六方氮化硼的絕緣性,廣泛應(yīng)用于高壓高頻電及等離子弧的絕緣體以及各種加熱器的絕緣子,加熱管套管和高溫、高頻、高壓絕緣散熱部件,高頻應(yīng)用電爐的材料。
④利用六方氮化硼的潤(rùn)滑性,氮化硼作為潤(rùn)滑劑使用時(shí),它可以分散在耐熱潤(rùn)滑脂、水或溶劑中;噴涂在摩擦表面上,待溶劑揮發(fā)而形成干模;填充在樹脂、陶瓷、金屬表面層作為耐高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。氮化硼懸浮油呈白色或黃色,因而在紡織機(jī)械上不污染纖維制品,可大量用在合成纖維紡織機(jī)械潤(rùn)滑上。
⑤六方氮化硼還可用作各種材料的添加劑。由氮化硼加工制成的氮化硼纖維,為中模數(shù)高功能纖維,是一種無機(jī)合成工程材料,可廣泛用于化學(xué)工業(yè)、紡織工業(yè)、宇航技術(shù)和其他尖端工業(yè)部門。
(2)立方氮化硼的應(yīng)用:
(1)用作磨具材料:小顆粒的 cBN 單晶可以用作磨具材料。cBN 磨具是借助于結(jié)合劑的作用將 cBN 磨粒粘結(jié)成具有一定幾何形狀的制品作為一種超硬材料磨具。
cBN 磨具對(duì)于黑色金屬,特別是硬度高、韌性大、高溫時(shí)強(qiáng)度高和熱傳導(dǎo)率低的材料,具有良好的磨削性能,其金屬磨除率是金剛石的10倍,解決了硬而韌難磨材料的加工問題。
立方氮化硼磨具用于高速高效磨削和珩磨加工,可使磨削效率大大提高;其磨削精度高,砂輪壽命長(zhǎng),節(jié)約了砂輪更換修整、機(jī)床調(diào)整和工件檢測(cè)等許多輔助時(shí)間。
(2)用作刀具材料:PcBN 克服了 cBN 單晶易解理和各向異性等不足,主要用于制作刀具材料。PcBN 刀具特別適合于高速切削加工,也可以高精密切削,已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床,適合高硬度材料的切削加工,特別適合加工以前只能磨削加工的高硬度難加工材料,實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代磨,能獲得較好的工件表面質(zhì)量,可以省去退火工序,大幅度提高生產(chǎn)效率。