六方氮化硼：工業界的“多才多藝的寶石”，應用範圍廣泛！

六方氮化硼（h-BN）六方氮化硼（h-BN）具有一系列優異的性能。作為一種基礎結構陶瓷材料，它已成功應用於多個領域。隨著研究的深入，h-BN的功能特性也逐漸開發，在新能源和電子等領域展現出廣闊的應用前景。此外，對於某些需要兼具結構與功能特性的嚴苛服役環境，h-BN也是理想的候選材料。

六方氮化硼性能分析

1. 熱性能

六方氮化硼（h-BN）具有良好的高溫穩定性。在標準大氣壓力下，它沒有明顯的熔點，在3000℃以上升華。在氮氣或氬氣氣氛中，h-BN的耐熱溫度可達2800℃而不軟化；在中性或還原性氣氛中，其耐熱溫度也可達2000℃。然而，它在氧氣氣氛中容易被氧化，產生低熔點的氧化硼，導致穩定性較差，通常將其使用溫度限制在900℃以下。

六方氮化硼（h-BN）具有優異的導熱性能。熱壓緻密h-BN在室溫下的導熱係數較高。 塊狀陶瓷 六方氮化硼（h-BN）陶瓷的熱傳導率可超過50 W/(m·K)，在陶瓷材料中僅次於氧化鈹和氮化鋁，接近鋼的熱傳導率。值得注意的是，h-BN陶瓷的熱傳導率隨溫度升高並不顯著降低。在600℃以上，其熱導率高於氧化鈹。在1000℃時，垂直於c軸取向方向的熱導率約為27 W/(m·K)，高於大多數電絕緣體（熱燒結h-BN具有織構特徵，導致其在不同方向上的性能存在差異）。如果透過添加燒結助劑、改質相等來提高h-BN基複合陶瓷的密度，則預計其熱導率將進一步提升。

六方氮化硼（h-BN）陶瓷的熱膨脹係數（CTE）也相對較低。對於燒結後無明顯織構的塊體陶瓷，其CTE為（2.5~4）×10⁻⁶ K⁻¹。然而，對於具有明顯晶粒擇優取向的織構化h-BN陶瓷，垂直於c軸方向的CTE通常小於1×10⁻⁶ K⁻¹，而平行於c軸方向的CTE則顯著增大，超過10×10⁻⁶ K⁻十倍¹，兩個方向的CTE十倍相差以上。

由於其高導熱性、低熱膨脹係數和低彈性模量，六方氮化硼（h-BN）陶瓷具有優異的抗熱震性能，即使經過反覆劇烈的熱衝擊也能保持完整性。例如，熱壓成型的h-BN陶瓷樣品在1000℃下保溫20分鐘後，立即置於空氣中冷卻或用風扇冷卻至室溫，可以承受數百次這樣的循環而不會開裂或失效，儘管其強度可能會略有下降。

2. 電氣特性

六方氮化硼（h-BN）在室溫和高溫下都是良好的電絕緣體。在乾燥環境下，高純度h-BN陶瓷的電阻率可達10^16 ~ 10^18 Ω·cm，即使在1000℃下，電阻率也能保持在10^4 ~ 10^6 Ω·cm（註：原文可能有筆誤；1000℃下10^16-10^18 Ω·cm的電阻率對於絕緣體而言似乎不太合理。然而，電阻率會隨著濕度的增加而略有下降。 h-BN具有很高的擊穿電壓，可達30 V。~40 kV/mm，使其成為高頻、高壓和高溫絕緣的理想候選材料。 h-BN 的介電常數 (ε) 為 3 至 5，介電損耗 (tan δ) 為 (2~8) × 10^-4，這在陶瓷材料中也相對較小。

3. 化學性質

六方氮化硼（h-BN）具有優異的化學穩定性。它不溶於冷水，在沸水中水解速度極慢，只生成少量硼酸和氨。 h-BN對多種無機酸、鹼、鹽溶液和有機溶劑具有良好的耐腐蝕性。它在大多數酸鹼溶液中表現出優異的穩定性，在室溫下不與弱酸和強鹼反應，樣品浸入濃硫酸、濃硝酸、濃磷酸等溶液中7天後的質量損失率小於10%。它只會被熱酸輕微腐蝕，且僅在與熔融氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鉀（KOH）等溶液接觸時才會分解。此外，h-BN既不潤濕也不與大多數金屬和玻璃的高溫熔體反應，因此是熔煉各種金屬坩堝的理想材料。

六方氮化硼的應用

1. 航空航太領域

由於其高熱穩定性和低介電損耗，六方氮化硼（h-BN）是製造高溫雷達罩/窗口的理想材料之一。儘管它存在硬度低、耐雨蝕性差等問題，但將h-BN陶瓷與…等材料複合，可以有效改善其性能。 氮化矽 或者，二氧化矽可以改善燒結特性，並結合各組分的優點，滿足雷達罩/窗口組件在高馬赫數飛行條件下的隔熱、承載和波傳輸要求。

對於用於衛星和深空探測器姿態控制、軌道插入、轉移和維護任務的霍爾電推進器而言，其關鍵部件——放電通道/絕緣材料——需要良好的耐熱性、抗循環熱衝擊性、高溫電絕緣性、抗離子濺射侵蝕性以及合適的二次電子發射係數。六方氮化硼（h-BN） 陶瓷是 最適合製備這些零件的材料是六方氮化硼（h-BN）系列陶瓷材料。俄羅斯、日本、美國和歐盟已對用於霍爾推力器零件的h-BN系列陶瓷材料進行了廣泛的研究，並在相關航天器上取得了成功應用。中國也已在相關衛星模型上完成了霍爾推力器及其h-BN零件的在軌實驗驗證。

2. 冶金工業

六方氮化硼（h-BN）及其複合陶瓷長期以來被廣泛用作高溫耐火材料，例如TiB2-AlN-BN複合陶瓷蒸發舟、Si3N4-BN斷裂環、特殊金屬高溫電解槽、高溫坩堝和鑄造模具等。隨著研究的深入和應用需求的不斷擴大，該系列陶瓷材料的性能得到了顯著提升，其應用領域也日益拓展。

薄帶連鑄是一種新型薄帶鋼生產製程。與傳統熱軋相比，它具有設備投資少、生產流程簡單、能耗低、產品成本低等優點。側擋板是安裝在連鑄輥兩端、用於在輥間形成熔池的關鍵密封裝置。其作用在於約束熔池，促進薄帶成形，並確保帶材邊緣品質。所需的材料必須具備良好的抗熱震性、抗鋼水沖蝕性、高溫體積穩定性、不被鋼水潤濕性、耐磨性。經過傳統耐火材料、熔融石英、氧化鋯等材料的試驗，六方氮化硼（h-BN）被認為是最有前景的材料。日本、美國、俄羅斯、德國等冶金技術領先的國家已對h-BN複合陶瓷側擋板進行了系統研究，開發了SiAlON-BN、Si3N4-BN、AlN-BN、ZrO2-BN等多個系列。中國相關研究機構也已在模擬工作條件下完成了實驗測試。

3. 電子業

六方氮化硼（h-BN）具有高絕緣性和高導熱性，可作為電子電路中的熱管理元件。以化學氣相沉積或液相剝離法製備的單層或少層h-BN奈米材料塗覆於晶片表面，可提供保護。此外，h-BN獨特的二維結構賦予其優異的橫向傳​​熱能力，能夠快速地將高功率電子裝置局部熱點的熱量沿橫向方向散發出去，降低局部峰值溫度，從而延長裝置壽命並提高其可靠性。另外，h-BN粉末也是一種理想的聚合物填料。將其添加到樹脂、橡膠、塑膠等材料中，可以提高導熱性和改善絕緣性能，這對於聚合物材料在柔性電子裝置中的應用至關重要。

近年來，隨著石墨烯研究的日益深入，二維氮化硼奈米片也引起了廣泛關注。由於它們結構相似但電學性質截然不同（六方氮化硼是絕緣體），透過層層交替堆疊可以形成高品質的平面異質結構。這些異質結構具有晶格失配小、載子遷移率高和帶隙可調等特點，在基於微/奈米結構的高頻晶體管和光子裝置領域展現出廣闊的應用前景。

4. 其他領域

六方氮化硼在其他領域也有廣泛的應用：

• 含硼化合物具有一定的中子輻射屏蔽特性；h-BN 也可用於防止中子輻照的包裝材料和原子反應器的結構部件。

• 六方氮化硼具有耐高溫性、化學穩定性和良好的高溫潤滑性能，可用作高溫潤滑劑、脫模劑或熔體防粘劑。

• 近期研究表明，多種形式的六方氮化硼（h-BN）可透過生成某些自由基引發或催化一系列反應，包括乙炔氫氯化反應和丙烷脫氫反應。因此，它不僅可以作為催化劑載體，還可以透過摻雜、改質等方法直接應用於催化反應中，展現出良好的應用潛力。