氮化硼：世界上硬度第二高的物質(zhì)

2024-01-25 12:47:42

次

聲明：本文源自營(yíng)口遼濱精細(xì)化工有限公司整合整理，如本站文章和轉(zhuǎn)稿涉及版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)作者及時(shí)聯(lián)系，我們會(huì)盡快處理。

氮化硼是一種耐化學(xué)性非常高的耐火材料。它不溶于HCl、HNO3、H2SO4等酸，但溶于LiOH、KOH、NaOH等熔融液體。因此，上述化合物一般用于蝕刻氮化硼(BN)。氮化硼以多種晶型存在，其中最常見(jiàn)的是立方和六方晶型。六邊形具有類(lèi)似于石墨的特性，而立方形具有類(lèi)似于金剛石（鉆石）的特性。正是因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)使得立方氮化硼成為世界上硬度第二高的物質(zhì)，僅次于金剛石。

氮化硼的硬度很高，應(yīng)用范圍比較廣泛

而且相比較金剛石來(lái)說(shuō)，氮化硼雖然沒(méi)有那么硬，但是在熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性上性能更強(qiáng)，也更容易制作出來(lái)。在高溫條件下，氮化硼也不溶于金屬，這使得其成為一種非常有用的耐磨和抗氧化金屬涂層，氮化硼陶瓷用于高溫設(shè)備和金屬鑄造。氮化硼在納米技術(shù)中具有潛在用途。

氮化硼的四種原子排列方式

氮化硼以多種形式存在，硼和氮原子的排列方式不同，從而導(dǎo)致材料的體積特性不同。

無(wú)定形形式(a-BN)

氮化硼（a-BN）的無(wú)定形形式是非晶態(tài)的，其原子排列缺乏任何長(zhǎng)距離規(guī)律性。它類(lèi)似于無(wú)定形碳。

所有其他形式的氮化硼都是結(jié)晶的。

六方晶型(h-BN)

氮化硼最穩(wěn)定的結(jié)晶形式是六方晶型，也稱(chēng)為h-BN、α-BN、g-BN和石墨氮化硼。六方氮化硼具有類(lèi)似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)。在每一層內(nèi)，硼和氮原子通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，而各層通過(guò)弱范德華力結(jié)合在一起。因此，h-BN和石墨是非常接近的鄰居，該材料可以容納碳作為取代基元素形成BNCs。已經(jīng)合成了BC6N雜化物，其中碳取代了一些B和N原子。

六方晶型(h-BN)

立方形式(c-BN)

立方氮化硼具有類(lèi)似于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，也是世界上硬度第二高的物質(zhì)，如果將金剛石的努氏硬度當(dāng)做100的話，那么立方氮化硼的努氏硬度將會(huì)達(dá)到45。

立方形式(c-BN)

與金剛石不如石墨穩(wěn)定相類(lèi)似，立方氮化硼不如六方氮化硼穩(wěn)定，但兩者之間的轉(zhuǎn)化率在室溫下可以忽略不計(jì)，就像金剛石一樣。立方晶型具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，與金剛石相同（具有有序的B和N原子），也稱(chēng)為β-BN或c-BN。

立方氮化硼在自然界中也有存在，2009年在我國(guó)西藏自治區(qū)就發(fā)現(xiàn)了自然存在的立方氮化硼，被命名為青松石，該物質(zhì)存在于富鉻巖石中分散的微米級(jí)包裹體中。2013年，國(guó)際礦物學(xué)協(xié)會(huì)確認(rèn)了礦物和名稱(chēng)。

纖鋅礦形式(w-BN)

纖鋅礦形式的氮化硼與罕見(jiàn)的六方碳多晶型物六方碳具有相同的結(jié)構(gòu)。與立方形式一樣，硼和氮原子被組合成四面體。在纖鋅礦形式中，硼和氮原子組成6元環(huán)。早期的報(bào)告預(yù)測(cè)纖鋅礦形式非常堅(jiān)固，并且通過(guò)模擬估計(jì)其強(qiáng)度可能比鉆石強(qiáng)18%。由于自然界中僅存在少量礦物，因此尚未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最近的研究測(cè)量了46GPa的w-BN硬度，比商業(yè)硼化物略硬，但比立方氮化硼軟。