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超硬材料领域冉冉升起的“巨星”-立方氮化硼,中国橡胶网,zimite.com
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超硬材料领域冉冉升起的“巨星”-立方氮化硼
2021年08月18日    阅读量:     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com  |  投稿

超硬材料通常是指金刚石和立方氮化硼,或由这两种材料为主要成分分别制成的复合材料,代表指硬度极高的材料,冠以“工业牙齿”或“材料之王”之称。其中,金刚石(Diamond)作为目前已知的世界上最硬的物质,已是家喻户晓。而立方氮化硼(cBN)了解的人相信并不多,它为什么能够成为硬度仅次于金刚石的存在,它究竟存在着怎样的神秘面纱?本文就立方氮化硼进行简要讲解中国橡胶网zimite.com


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图1 立方氮化硼

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图2cBN与其他材料硬度对比

一、立方氮化硼晶体结构


氮化硼(BN)由氮、硼两种原子组成。氮、硼原子通过不同的杂化方式相互作用,从而构成具有不同晶体结构的BN材料,包括:六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、纤锌矿氮化硼(wBN)和立方氮化硼(cBN)。在一定的温度压力条件下,不同晶体结构的BN之间可以通过相变反应来实现相互转变。立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的,是继人造金刚石问世后出现的又一种新型产品。其中cBN的晶体结构是闪锌矿结构,属于面心立方晶系,晶体中原子的排列可以看作是两个彼此错开1/4对角线的面心立方相互嵌套而成。


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图3 氮化硼不同晶体结构

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表1氮化硼各晶体结构系数

二、立方氮化硼的特性与应用


尽管立方氮化硼硬度不及金刚石,但是它在很多方面的性质却优于金刚石。与金刚石相比,它具有更好的热稳定性和化学稳定性,除此之外,它还具备优良的抗氧化性能和导热性能等。金刚石磨具在高温下加工含铁或镍元素材料时易产生石墨化而失效,但cBN却能保持足够高的力学性能。


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图4 立方氮化硼特性

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表2cBN应用

三、立方氮化硼的合成方法简介


立方氮化硼的合成方法很多,从原理上基本上可以分为:高压合成法和低压合成法。高压法主要包括静态高压法和冲击压缩法(爆炸法);低压合成法,即亚稳区域生长法,主要包括气相沉积法和水热法。具体分类如图5所示。在这合成方法中,应用最为广泛的为静态高压触媒法,其次为爆炸法和晶种温度梯度法,气相沉积法主要用于薄膜生长。


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图5立方氮化硼的合成方法

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图片表3cBN的制备方法简介

总结


由于c-BN生长条件的苛刻,目前很难获得高质量的cBN大尺寸单晶,在合成过程中存在的主要问题包括:粘附性问题、厚度问题、纯度问题、成核及生长机理问题。同时,合成大尺寸、高质量cBN单晶是获得功能器件应用的必然选择,可是cBN晶体的大尺寸化远没有金刚石做得成功。但不可否认,cBN有众多优异的性能,像它很宽的能带间隙(Eg> 6.2eV),是一种新型第三代半导体材料,可以广泛应用于光学和量子计算领域。因此,加快突破cBN大尺寸、高质量的合成,促进cBN在更多新兴领域的探索及应用是非常重要的。我们相信,在未来超硬材料领域,立方氮化硼将成为一颗冉冉升起的“巨星”。


标签:技术中心今日头条精细化学品塑料
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