氮化硼

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氮化硼
识别
CAS号 10043-11-5
EINECS 233-136-6
性质
化学式 BN
摩尔质量 24.818 g·mol⁻¹
外观 白色固體
密度 2.18g/cm3
熔点 2700 °C(昇華)
溶解性 不溶
结构
晶体结构 六方立方
热力学
ΔfHmo298K 476.98 kJ mol−1
ΔcHmo −250.91 kJ mol−1
So298K 14.77 J mol−1 K−1
危险性
警示术语 R:R36-R37
安全术语 S:S26-S36
相关物质
其他阴离子 BPBAs
B4CB2O3
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

氮化硼BN)是一種由相同數量的氮原子和硼原子組成的雙化合物,因此它的實驗式是BN。氮化硼和等電子的,並和碳一樣,氮化硼是多形的:其中一形體類似於鑽石而另一個則類似於石墨。類似於鑽石的形體是現時所知的几乎最硬的物質,類似於石墨的形體是一種十分實用的潤滑劑。

六方氮化硼[编辑]

形態相似於石墨的氮化硼,也稱六方氮化硼、h-BN、α-BN或g-BN (graphitic BN),有時也稱“白石墨”,它是最普遍使用的氮化硼形態。[1]和石墨相似,六方形態是由許多片六邊形組成。這些薄片層與層之間的相關結構(registry)不同,但是從石墨的排列模式中看出,這是由於硼原子在氮原子上面使氮化硼的原子變成橢圓的。如此結構反映出硼—氮鏈的極性。氮化硼中較低的共價性質,使它成爲導電性相對於石墨較低的半金屬,電在它六邊形薄片中pi-鏈的網絡中流通。六方氮化硼的缺乏顏色,顯示較低的電子離域性,表示其能隙較大。

六方氮化硼在極低和極高(900 °C)的溫度甚至是氧氣下都是一種很好的潤滑劑,它在石墨的導電性和與其它物質的化學反應造成困難時特別有用。由於它的潤滑機理並不涉及到層面之間的水分子,氮化硼潤滑劑還可以在真空下使用,如在太空作業時。

六方氮化硼在空氣中高達1000 °C、真空中1400 °C和在惰性氣體中2800 °C都仍然穩定,也是其中一種導熱性最好的絕緣體。它對多數物質都不產生化學反應,也不被許多融化物質所沾濕(如:冰晶石玻璃鹵化鹽[來源請求]

細粒的h-BN被用於一些化妝品顔料、補牙劑和鉛筆芯。[來源請求]

製造[编辑]

六方氮化硼可由三氯化硼經過氮化氨解后製作而成。六方氮化硼部件可由加熱加壓和其後的機械加工造出,因爲它的硬度與石墨相當,所以加工成本不高。這些部件都由氮化硼粉末製造,以氧化硼作爲燒結劑。氮化硼薄膜可以由三氯化硼雛形化學氣相沉積後形成。而工業製造是基於兩個化學反應:熔化的硼酸與氨、硼酸或鹼性硼化物與尿素蜜胺或其他適當的氮氣中的有機氮化合物。製作超細氮化硼潤滑劑和toner則需要在氮氣中以5500°C高溫燃燒硼粉末。

立方氮化硼[编辑]

立方氮化硼極其堅硬,显微硬度HV72000~98000Mpa,硬度低於鑽石。和鑽石相似,立方氮化硼是一種絕緣體但卻是一種極佳的導熱體。結構類似於鑽石的氮化硼形態,也叫正方體氮化硼、c-BN、β-BN、或z-BN(以闪锌矿(Zinc Blende)晶體結構命名),是被廣泛使用的工業鑽磨工具。

[來源請求]由于它和其他高溫合金中是不可溶的,所以CBN适合加工铁镍等黑色金属,而鑽石会和這些物質发生化学反应而造成刃具迅速磨损。多晶體c-BN鑽磨工具多用於機械鋼鐵,同時鑽石鑽磨工具多用於鋁合金、陶器和玻璃。如鑽石一樣,立方氮化硼由於聲子有著高傳熱性。在高溫中與氧接觸,氮化硼會形成一個氧化硼的鈍化層。氮化硼可以和金屬很好地結合,這是因爲硼或氮合金交錯層的形成。

立方體氮化硼晶體材料常被用在切割工具的切割頭。用於磨料时,一般使用合成樹脂、多孔性陶瓷等做粘合劑。商業產品名稱包括“Borazon”(Diamond Innovations)和“Elbor”或“Cubonite”(by Russian vendors)。

燒結的立方氮化硼是一種不導電的散熱片材料,故在微電子學領域中有潛在應用價值。

製造[编辑]

立方氮化硼的製作可由在高溫、高壓下處理六方氮化硼而成,就如從石墨製成人造鑽石相似。使六方氮化硼直接轉爲立方氮化硼需要在18百萬帕的壓力和1730-3230 °C的溫度下。加入小量的氧化硼可以把所需的壓力降到4至7百萬帕,溫度降到1500 °C。

在工業裏,人們會使用催化法轉化氮化硼,而不同的催化劑物質會用在不同的生産方法上,例如、他們的氮化物,氟氮化物、水再加上氨化合物或肼。其他工業合成法會使用溫差下結起的晶體或者爆炸產生的衝擊波。衝擊波的應用是用來製作出一種稱爲異鑽石的超硬的硼、碳和氮的化合物。

低壓下,可采用立方氮化硼薄膜的沉積技术。在化學氣相沉積中,可使用三氟化硼來選擇性蝕刻沉積的六方氮化硼(与沉積鑽石薄膜類似,使用氫原子來蝕刻石墨)。其他物理氣相沉積方法,如離子束沉積電漿改善化學氣相沉積脈衝雷射沉積反應性噴濺法等亦有所使用。

其他氮化硼形態[编辑]

w-氮化硼[编辑]

w-氮化硼是六方氮化硼是發生在高壓環境下的一種超硬狀態。這種六方形態呈纖維鋅礦結構,與石墨的層狀結構不同。

三方氮化硼[编辑]

三方氮化硼相似於六方氮化硼。它會在立方氮化硼轉化為六方氮化硼的過程中產生。

氮化硼纖維[编辑]

六方氮化硼可以製成纖維的形態,由於和碳纖維結構相似,氮化硼纖維也被稱爲“白碳纖維”。它可以由射出成形的環硼氮烷纖維加上中的氧化硼於1800 °C下的熱分解製成。這種物質也可經過纖維素纖維浸泡於超過1000 °C 的氨氣和氮氣中的硼酸四硼化氨之後產生的熱分解製成。氮化硼纖維也可作為複合材料的補強,基質材料包括有機樹脂、陶瓷與金屬(參見 金屬基複合材料)。

參見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Jochen Greim, Karl A. Schwetz “Boron Carbide, Boron Nitride, and Metal Borides” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH: Weinheim: 2005. DOI: 10.1002/14356007.a04_295.pub2

外部鏈接[编辑]