中國粉體網訊 4月29日，中國空間站“天和核心艙”搭乘長征五號B遙二運載火箭，在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射并準確進入預定軌道。記者從中國科學院金屬研究所獲悉，該所多項新材料技術在“天和”核心艙獲得應用。其中，首次應用于核心艙電推進系統(tǒng)中的霍爾推力器腔體，采用了氮化硼陶瓷基復合材料，該材料具備低密度、高強度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優(yōu)點，滿足了推力器對陶瓷腔體材料的要求。
（圖片來源：網絡）
實際上，陶瓷并不是首次應用在航空航天領域的。在航天火箭渦輪發(fā)動機用的氮化硅陶瓷軸承，地球衛(wèi)星上所需的高剛度、高硬度碳化硅反射鏡，美國、以色列等國在高超聲速飛行器上用的氮化硅材料制作的天線罩/窗等都采用了特種陶瓷材料。那么這次中國的霍爾推力器腔體所用的氮化硼陶瓷基復合材料究竟有什么魅力呢？下面我們一起走進氮化硼的世界。
1 氮化硼陶瓷概述
氮化硼(BN)是由等量的硼元素（B）和氮元素（N）組成的一種化合物，1842年Balmain等使用熔融的硼酸（H2BO3）和氰化鉀（KCN）首次制成了氮化硼。
氮化硼具有優(yōu)異的物理化學特性，如：化學穩(wěn)定性高、高耐熱性、高導熱性、與多種金屬不浸潤等，這些優(yōu)異的性質使BN陶瓷材料在航空航天、冶金、機械和電子等高科技領域具有十分廣闊的應用前景。
氮化硼陶瓷是一種性能優(yōu)異并有很大發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞沾刹牧?目前普遍認為主要有六方氮化硼(h-BN)、纖鋅礦氮化硼(w-BN)、三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和斜方氮化硼(o-BN)5種異構體。其中最常見的是類似石墨的h-BN和類似金剛石的c-BN，下面簡單介紹一下這兩種。
1.1 六方氮化硼(h-BN)
最早的應用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼。h-BN 為六方晶系，結構和性能均與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。其晶體結構圖見圖2。
圖2 六方氮化硼的晶體結構示意圖
（圖片來源：現代陶瓷技術期刊）
h-BN在惰性氣氛下分解溫度超過3000℃，在常壓下加熱至 2500℃時升華并部分分解，其理論密度為 2.27 g/cm3。h-BN陶瓷具有出色的熱穩(wěn)定性、高的熱導率、低熱膨脹、高耐熱沖擊性、高電阻率、低介電常數和介電損耗、微波透波、無毒、易于機加工、潤滑、化學惰性，并對大部分熔融金屬不潤濕。
1.2 立方氮化硼(c-BN)
立方氮化硼，是人工合成的一種超硬材料。通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結構，具有良好的導熱性。其硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。立方氮化硼還具有高的熱穩(wěn)定性和對鐵族金屬及其合金的化學惰性。它作為工程材料，已經廣泛應用于黑色金屬及其合金材料加工工業(yè)。同時，它又以其優(yōu)異的熱學、電學、光學和聲學等性能，在一系列高科技領域得到應用，成為一種具有發(fā)展前景的功能材料。立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達到高精度的加工表面，適用于樹脂、金屬、陶瓷等結合劑體系，亦可用于生產聚晶復合片燒結體，還可用做松散磨粒、研磨膏。
2 氮化硼制作方法
2.1 高溫高壓合成法
1957年Wentorf首次人工合成立方BN。在溫度接近或高于1700℃，最低壓強為11～12GPa時，由純六方氮化硼直接轉變成立方氮化硼。隨后人們發(fā)現使用催化劑可大幅度降低轉變溫度和壓力。常用的催化劑為：堿和堿土金屬、堿和堿土氮化物、堿土氟代氮化物、硼酸銨鹽和無機氟化物等。其中以硼酸銨鹽作催化劑所需的溫度和壓力最低，在1500℃時所需壓力為5GPa，而在壓力為6GPa時其溫度區(qū)間為600～700℃。由此可見，雖然加催化劑可大大降低轉變溫度和壓力，但所需的溫度和壓力還是較高。因而其制備的設備復雜、成本高，其工業(yè)應用受到限制。
2.2 化學氣相合成法
1979年Sokolowski成功利用脈沖等離子體技術在低溫低壓下制備成立方氮化硼膜。所用設備簡單，工藝易于實現，因此得到迅速發(fā)展。已出現多種氣相沉積方法。傳統(tǒng)來講主要是指熱化學氣相沉積。實驗裝置一般由耐熱石英管和加熱裝置組成，基體既可以通過加熱爐加熱(熱壁CVD)，也可以通過高頻感應加熱(冷壁CVD)。反應氣體在高溫基體表面發(fā)生分解，同時發(fā)生化學反應沉積成膜，反應氣體有BCl3或B2H4與NH3的混合氣體。
2.3 水熱合成法
此方法是在高壓釜里的高溫、高壓反應環(huán)境中，采用水作為反應介質，使得通常難溶或不溶的物質溶解，反應還可進行重結晶。水熱技術具有兩個特點，一是其相對低的溫度，二是在封閉容器中進行，避免了組分揮發(fā)。作為一種低溫低壓合成方法，被用于在低溫下合成立方氮化硼。
3.4 苯熱合成法
作為近年興起的一種低溫納米材料合成方法，苯熱合成受到廣泛關注。苯由于其穩(wěn)定的共軛結構，是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑，最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術，如反應式：
BCl3+Li3N→BN+3LiCl
或BBr3+Li3N→BN+3LiBr
反應溫度只有450℃，苯熱合成技術可以在相對低的溫度和壓力下制備出通常在極端條件下才能制得的、在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相。這種方法實現了低溫低壓制備立方氮化硼。但是這種方法尚處于實驗研究階段，是一種很有應用潛力的合成方法。
2.5 自蔓延技術
利用外部提供必要的能量誘發(fā)高放熱化學反應，體系局部發(fā)生反應形成化學反應前沿(燃燒波)，化學反應在自身放出熱量的支持下快速進行，燃燒波蔓延整個體系。這種方法雖然是傳統(tǒng)的無機合成方法，但近年才有報道用于氮化硼的合成。
2.6 碳熱合成技術
該方法是在碳化硅表面上，以硼酸為原料的，碳為還原劑，氨氣氮化得到氮化硼的方法，所得產物純度很高，對于復合材料的制備具有很大的應用價值。
2.7 離子束濺射技術
利用離子束濺射沉積技術，得到立方氮化硼和六方氮化硼的混合產物。這種方法雖然雜質較少，但是由于反應條件難以控制，因此產物的形態(tài)難以控制，對這種方法的研究還有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
2.8 激光誘發(fā)還原法
用激光作為外加能源，誘發(fā)反應前驅體之間的氧化還原反應，并使B和N結合從而生成氮化硼，但是這種方法得到的也是混合相。
3 小結
在黨的領導下，幾代科研工作者守正創(chuàng)新、薪火相傳，我國終于把“陶瓷”送上了藍天。但氮化硼陶瓷材料因其獨特的物理化學性能，路漫漫而修遠，相信在科學家們的不懈努力下，氮化硼復合基陶瓷必將迎來更加廣闊的前景。
參考來源：
【1】科技日報.《多項新技術用于“天和”核心艙》.
【2】張振昊，孫海濱等.六方氮化硼在絕緣導熱聚合物復合材料中應用研究進展.現代技術陶瓷.2020年，41（4）.
【3】邵長偉，龍鑫等.氮化物陶瓷纖維的制備、結構與性能.航空制造技術.2020年，63（15）.
【4】石季英.氮化硼陶瓷.科普中國科學百科.2018.10.17
【5】程江龍.功能化氮化硼及其復合材料制備及性能研究.2018.4.21.
【6】蔡德龍，陳斐等.高溫透波陶瓷材料研究進展.現代技術陶瓷.2019年，40（1-2）.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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