六方氮化硼為啥這么好“滑”？

2024-06-18 08:26:19

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100多年前，有一種除了結(jié)構(gòu)以外，就連性能都與石墨非常相近的材料問世，那就是六方氮化硼（h-BN）。它是由56.4%的氮原子核43.6%的硼原子所構(gòu)成的晶體，由于自身潔白，因此也被叫作“白石墨”，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

h-BN具有很多優(yōu)異的性能，其中最為顯著也最令人稱道的就是它很“滑”。從上圖可以看出，h-BN的晶格結(jié)構(gòu)和石墨十分相似，硼原子和氮原子交錯排列，組成一張六邊形為單位的無限邊界網(wǎng)絡(luò)，即單層h-BN；當(dāng)很多層這樣的網(wǎng)絡(luò)沿著c軸方向以ABAB……的方式無限堆疊后便形成三維的六方氮化硼。

立方氮化硼

在每一個原子層內(nèi)，硼原子和氮原子之間都由強力的sp2雜化共價鍵相連接，鍵長為a=b=0.2504nm；每相鄰的兩層原子層之間能夠依靠較弱的原子間作用力——范德華（vanderWaals）力相連接，鍵長c=0.6661lnm。所以，h-BN在c軸方向上結(jié)合力很小，原子間的距離又大，層與層之間很容易滑動，即使在高溫下也有著很好的潤滑性。

一般來說，潤滑油添加劑都是通過改變吸附在運動體表面的潤滑油油膜形式，防止摩擦副表面在相互運動時發(fā)生粗糙表面微凸體的接觸，從而提高表面的潤滑性和抗磨性。目前，利用納米潤滑材料制備潤滑添加劑，是提高潤滑油減摩抗磨性能的主要手段。

這些納米材料在潤滑油中主要發(fā)揮兩個作用，一是“微型球軸承效應(yīng)”；二是“自修復(fù)效應(yīng)”。它們會在摩擦副運動工作時進入摩擦副表面，改變摩擦副之間的摩擦方式——從純滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒优c滾動復(fù)合摩擦，由于滾動摩擦的摩擦系數(shù)要比滑動摩擦小一個數(shù)量級，因此摩擦磨損得以下降。

與報道較多的金屬納米粒子（如銅、鐵）相比，h-BN在潤滑劑中其實更具應(yīng)用優(yōu)勢。這是因為軟性的納米添加劑雖然性能優(yōu)異，但其在潤滑油使用過程中消耗快，對摩擦副之間的阻隔作用會逐漸下降，從而降低了潤滑油的使用壽命；另一方面，這些金屬納米粒子多為多面體形狀，表面原子呈階梯狀分布，活性很高，對潤滑油的改善作用主要通過對摩擦副表面的自修復(fù)效應(yīng)來完成，其“微型球軸承”效應(yīng)并不明顯。

層狀結(jié)構(gòu)的h-BN作為一種優(yōu)良固態(tài)潤滑劑，相對于液態(tài)或半固態(tài)潤滑劑具有承載能力高、高溫下穩(wěn)定性好、穩(wěn)定的物理性質(zhì)等優(yōu)點。它可以分散在耐熱潤滑油脂、水或溶劑中，噴涂在摩擦表面上，待溶劑揮發(fā)而形成干膜；也可填充在樹脂、陶瓷、金屬等表層作為耐熱高溫自潤滑材料。