编号：TCHY00014

篇名：氮化硼陶瓷的制作与用途

原文： 氮化硼俗称白石墨，特性与石墨相似而质地洁白，存在两种晶型：六方与立方，但通常呈六方结构。在高温与超高压的特殊条件下，可将六方结构晶型转化为立方晶型。粉末由硼、卤化硼或硼酸、硼砂、氧化硼和含氮盐类在氮气或氨气氛中反应合成。氮化硼粉末呈白色、质轻、松散、润滑，易吸潮等性能，但与酸、碱、玻璃及大多数金属不起作用，机械强度高，比石墨略高，但在高温下无负载软化现象，可作机械加工车削，精度可达1％毫米。氮化硼使用范围广泛，其粉末可作优良的润滑剂与脱模剂，而陶瓷可用作熔炼蒸发金属的坩埚、舟皿、液态金属输送管、火箭喷口，大功率器件底座，半导体元件掺杂源，以及各种高温（高压、高频）绝缘散热部件。而立方氮化硼则为近似于金刚石的超硬材料。 一、氮化硼粉料合成方法 氮化硼粉料合成方法现在已有十多种，但能够实现工业化生产的方法主要有以下3种。 1、硼砂一一氮化铵法。此种方法首先将硼砂置于真空中在200-400℃下脱水，引入氮化铵溶解成饱和溶液，再经过过滤除去杂质再结果，可以重复进行。然后将上述原料粉碎、干燥，以硼砂和氯化铵按7：3（重量比）混合，压制成坯块，在反应炉中合成。反应温度为900-1000℃，保温6个小时。在反应时通入NH3以弥补反应物自身形成时氮气量的不足。其主要反应式为：Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O, 反应产物用水浸洗除去剩余硼酸、氯化钠等杂质，干燥、粉碎，即可获得氮化硼粉料，其纯度可达97％。 2、硼砂一一尿素法。将硼砂脱水干燥、粉碎，将尿素提纯干燥、粉碎。硼砂与尿素应按照1：15-2的比例均匀混合后，放置于石英玻璃、刚玉、石墨或不锈钢容器中，放入反应炉中，升温至100℃时，保温30分钟，在140℃时保温2，在180℃时保温2小时，800℃时保温2小时，在最终温度800-1000℃时保温2-4小时，当温度处于300℃以下时，先通入氮气，在300℃以上时改通入氨气。主要化学反应为： Na2B4O7+2CO(NH2)2→4BN+Na2O+4H2O+2CO2↑ 反应生成的产物用盐酸酸洗，除去其中的Na2O，然后水洗去Cl-离子，再用酒精醇洗去H3BO3，用水与酒精反复处理后干燥，即获得氮化硼粉（含BN95%）。 3、硼矸法。以硼矸为主要原料，磷酸三钙为填料，两者混合比例为5：3，干法混合，加入水成糊状，进行造粒，在80℃以下干燥。将混合料放入石英管或刚玉管状电炉中进行氮化反应。炉体要稍倾斜，以利排水。反应温度为900-1000℃，保温6小时，通入NH3气体。主要反应式为：B2O3+2NH3→2BN+3H2O 反应产物使用3％盐酸酸洗16小时，以除去Ca3(PO4)2及H3BO3，再用25％盐酸酸洗3小时，然后水洗去HCl。在180℃以下干燥，用酒精进行醇洗，去除H3BO3，最后干燥，即获得BN。 二、制造氮化硼制品 制造氮化硼制品的方法有冷压烧结法和热压烧结法。这里介绍一下热压烧结法。 首先将颗粒度小于5微米的氮化硼细粉与少量添加物混合均匀，先在等静压机中预压一次，压力为100-150MPa，然后破碎成小于0.5毫米的料，装入石墨模中，于碳管加热的热压炉中加热加压，最高温度1600-1900 ℃，压力为20-25MPa，保温几分钟到1小时，冷却后机械加工即成。 这时应当指出，料中B2O3的存在与否对制品性能影响很大，B2O3不存在时制品难以获得高致密度，但抗水性好。当B2O3存在时，制品容易致密，但对水的稳定性差。所以，对于不含有B2O3的纯氮化硼料（难以热烧结），要加入适量结合剂，如B2O3、磷酸硼或等CaO-B2O3-Al2O3等，以促进烧结又不影响制品的稳定性；而对于含B2O3较高的氮化硼粉料，要中入适量稳定剂，如Al、AlN、CaO-Al2O3、SiO2等；或者对于含B2O3热压后的氮化硼制品，在真空或氩、氮气气氛中高温处理，使B2O3挥发掉。加入物对BN烧结性和稳定性的影响。见表。 三、氮化硼制品的主要特性与用途 采用热压法制成的氮化硼制品，在N2或Ar气氛中最高使用温度高达2800℃，而无明显熔点，在0.1MPaN2中3000℃升华。但在氧化气氛中稳定性差，使用温度仅在900℃以下。氮化硼制品膨胀系数低，导热率高，热震稳定性优良，同时是很好的绝缘体。氮化硼还具有诸多特殊的性能，仅在耐火材料使用方面可用作高温热电偶保护管，熔炼金属的器皿及宇宙航行中热屏蔽材料等。总之，氮化硼制品在未来高科技产品开发方面显示出广阔的前景。