氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體，除了常見的六方氮化硼（白石墨）外，還有立方氮化硼（CBN）、菱方氮化硼（RBN）、

纖鋅礦型氮化硼（WBN）等變體，科學家甚至還發(fā)現(xiàn)了與石墨烯性質(zhì)類似的二維氮化硼晶體。

不同的氮化硼變體具有不同的特點和應用。以六方晶型的白石墨為例，氮原子和硼原子組成的六邊形網(wǎng)狀結(jié)構與石墨中的碳原子六邊形網(wǎng)

狀結(jié)構極為相似，因此在某些方面具有相近的性質(zhì)，如二者都具有耐熱性、耐磨性、潤滑性等特性；但白石墨還具有一些獨特的性質(zhì)，

如石墨既能導熱也能導電，而白石墨能導熱但不能導電。

手機燙了，來點氮化硼

       氮化硼的導熱性能很強，熱膨脹系數(shù)很低，絕緣性能很好，同時還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導熱系數(shù)為56.94瓦每米·攝氏度，立

方氮化硼的導熱系數(shù)為79.54瓦每米·攝氏度，僅次于金剛石。國外的一項研究顯示，單層六方氮化硼在室溫下的導熱系數(shù)高達751瓦每米·

攝氏度。既導熱又絕緣的氮化硼粉體，在電子領域中備受青睞，有望成為下一代柔性電子器件散熱的主要材料。

氮化硼粉體

       對于高密度和大功率電子產(chǎn)品來說，做好熱管理是一個急迫的問題。比如，隨著LED技術的普及，“農(nóng)業(yè)工廠”應運而生。為了彌補

光照的不足，用LED植物照射燈代替太陽光就成了一個成熟的解決方案。

盡管與其他照明設備相比，LED燈具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，但理論上總的電光轉(zhuǎn)換效率仍只有54%。這就意味著LED植物照射燈仍會有

大量的熱能釋放。特別是當LED芯片溫度超過140°C時，其壽命的縮短就會成為一個不容忽視的問題。如何為LED燈降溫，六方氮化硼再

次走進科學家的視野。用六方氮化硼作為填料來制作具有優(yōu)良電絕緣性和化學穩(wěn)定性的導熱塑料，可以提高其導熱性能。

為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”

        隨著中國空間站“天和”核心艙的發(fā)射入軌，霍爾電推進器的“陶瓷心臟”成為人們的關注熱點。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復

合材料打造的。

挑戰(zhàn)太空，人類一直使用化學動力，即通過燃燒化學推進劑來產(chǎn)生動力。航天器發(fā)射入軌后，也需要動力來支持軌道和姿態(tài)的調(diào)整，所以

必須攜帶化學燃料或者在軌補加燃料。而攜帶化學燃料不僅加大了發(fā)射成本，而且在一定程度上影響著航天器的空間任務能力。在這樣的

背景下，電推進技術逐步走向應用的前臺。我國空間電推技術研究起步于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的技術攻關終于取得了多項技術突破。

2020年1月，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進器成功完成點火試驗，并達到了國際先進水平。

“天和”核心艙配置的4臺霍爾電推進器，利用核心艙太陽能翼產(chǎn)生的電能，為空間站軌道維持和安全飛行提供動力支持?；魻栯娡七M器是

等離子體推力器的一種，其原理是利用強電場將離子加速噴出，通過其反作用力來進行姿態(tài)調(diào)整或者軌道提升?；魻栯娡七M器具有推力小、

比沖高的特點。比沖是評價火箭推進劑性能的技術參數(shù)，比沖越高則表示在一定條件下推進劑產(chǎn)生的速度增量越大。

空間站在軌運行，由于微重力以及近地空間稀薄大氣阻力的影響，軌道高度的衰減是不可避免的。不過，不需要多大的推力就能做到軌道

保持。電推力雖小但可以準確調(diào)控，以提升任務執(zhí)行能力。高比沖則可以大幅減少航天器攜帶的化學燃料，以擴展空間任務的范圍等。

在霍爾電推進器中，等離子體的電離和加速需要在放電腔中完成。霍爾電推進器需要一顆堅強的“心臟”，來產(chǎn)生準確可調(diào)的推力。打造

這顆堅強的“心臟”，必須滿足耐高溫、抗熱震、耐離子濺射、絕緣性好等條件，才能勝任放電腔的嚴酷工作。

像金剛石一樣硬起來

以順滑著稱的白石墨，也能硬起來。20世紀50年代，科學家通過改變白石墨的結(jié)構，合成了一種立方氮化硼的單晶體。它是繼人造金剛石

問世之后的又一種超硬材料，硬度略低于金剛石，但耐高溫性要遠遠優(yōu)于金剛石，尤其對鐵系金屬元素具有很好的化學穩(wěn)定性。

PCBN氮化硼聚晶工具

20世紀70年代，聚晶立方氮化硼（PCBN）問世。聚晶立方氮化硼的硬度很高，僅次于金剛石的硬度；抗彎強度和斷裂韌性介于硬質(zhì)合金

和陶瓷之間；熱穩(wěn)定性要高于人造金剛石，在1300℃時仍可以進行切削作業(yè)；在1200～1300℃高溫條件下不易與鐵系材料發(fā)生化學作用。

以“硬”聞名的立方氮化硼，用途之一是制作砂輪、油石之類的磨具，用途之二就是制作鉆頭、車刀、絞刀、銑刀之類的切削工具。特別

是用于加工淬硬鋼、耐磨鑄鐵、鈦合金等一類難加工材料時具有一定優(yōu)勢，并且還非常適合用于數(shù)控機床加工。

絕活特用，前景看好

基于硅的半導體工業(yè)，讓人們深切感受到了現(xiàn)代電子產(chǎn)品的魅力。然而，用硅半導體制作的電子器件難以適應高溫等極端條件的挑戰(zhàn)。

在這樣的背景下，白石墨具有的寬帶隙、高熱導率、高電阻率、高遷移率等特性引起了科學家的重視。特別是白石墨的衍生產(chǎn)品立方氮化

硼，有望成為第三代半導體材料。有研究機構用氮化硼材料制成了高溫半導體PN結(jié)器件,在650℃條件下能夠正常工作。這就為制造能適應

極端條件的電子器件拓展了視角，從而為半導體工業(yè)帶來了新的希望。

 氮化硼納米薄膜（左）、納米管（右）結(jié)構示意圖

用氮化硼材料制備能耐受高溫、高頻、大功率、高輻射等極端條件的電子器件，就有可能解決許多特殊場合的應用難題。近年來，氮化硼

薄膜材料的制備已成為半導體材料的一個研究熱點。由于氮化硼薄膜具有高硬度和抗熱性，并且在從紫外到遠紅外的整個波段都具有高透

過率，因此適合用作大功率激光器和探測器的窗口材料。

氮化硼納米管的合成更是為氮化硼材料的高科技應用創(chuàng)造了機會。據(jù)悉，氮化硼納米管耐熱絕緣、抗氧化，并且具有很強的彈性和韌性，

有望在航空、航天等特殊行業(yè)獲得應用。有研究機構計劃將氮化硼納米管應用于鋰硫電池以提高其性能，促進其商業(yè)化。