欢迎光临深圳昊瑞工业技术有限公司官方网站
客户服务热线 13713928912
当前位置:网站首页 >> 新闻资讯 >> 行业新闻

新闻资讯

新闻资讯

联系我们

电话:0755-26793059
手机:13713928912
          18025486913
          18025468212
Q Q:93408212
邮箱:HaoRuiGongYe@126.com
地址:深圳市宝安区石岩街道北环路迪威信工业园E栋3楼

氮化硼陶瓷的材料

发布日期:2019-09-27 点击次数:359
在100多年前,氮化硼陶瓷在贝尔曼的实验室首次被发现,该材料得到较大规模发展是在20世纪50年代后期。
氮化硼(BN)陶瓷是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料,包括5种异构体,分别是六方氮化硼(h-BN),纤锌矿氮化硼(w-BN),三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN)和斜方氮化硼(o-BN)。
广泛应用于机械、冶金、化工、电子、核能和航空航天领域。
氮化硼的六方晶型、闪锌矿晶型和纤维锌矿晶型
1. 氮化硼陶瓷简介
氮化硼陶瓷是由氮原子和硼原子所构成的晶体,分子式为BN,分子量24.81。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮,理论密度2.27g/cm3。
氮化硼陶瓷粉末具有松散、润滑、质轻、易吸潮等性质,颜色洁白。氮化硼制品呈象牙白色。目前对氮化硼的研究主要集中在对其六方相(H-BN)和立方相(C-BN)上的研究。
氮化硼的性能可以主要分为以下几个方面:
✔在机械特性方面:拥有不磨蚀、低磨耗、尺寸安全性、润滑性佳、耐火及易加工等优点。
✔在电气特性方面:拥有介电强度佳、低介电常数、高频率下低损耗、可微波穿透、良好的电绝缘性等优点。
✔在热力特性方面:拥有高热传导、高热容量、低热膨胀、抗热冲击、高温润滑性及高温安定性等优点。
✔在化学特性方面:拥有无毒、化学安定性、抗腐蚀、抗氧化、低湿润、生物安定性及不沾性等优点。
2. 六方氮化硼陶瓷
六方氮化硼陶瓷(h-BN)是最普遍使用的氮化硼形态。h-BN的结构与石墨类似,具有六方层状结构,晶格常数a=0.2504nm,c=0.6661nm,理论密度2.27g/cm3,熔点3000℃,质地柔软,可加工性强,并且颜色为白色,俗称“白石墨”。
石墨结构和六方氮化硼陶瓷结构
六方氮化硼(h-BN)具有优良的电绝缘性、极好的化学稳定性以及优良的介电性能。
六方氮化硼的热性能:无明显熔点,在0.1MPA氮气中3000℃升华,在惰性气体中熔点3000℃,在中性还原气氛中,耐热到2000℃,在氮气和氩中使用温度可达2800℃,在氧气气氛中稳定性较差,使用温度1000℃以下。
六方氮化硼是陶瓷材料中导热最大的材料之一,导热率为石英的十倍,在垂直于c轴方向上有较高的热导率60W/(m·K);
低的热膨胀系数,相当于石英,是陶瓷中最小的,在c轴方向上的热膨胀系数为41*10-6m/K,而在d轴方向上为2.3*10-6m/K,所以抗热震性能很好。
h-BN和其它材料的热性能
材料最高使用温度℃热导率
[W/( mK)]
热膨胀系数
10-6m/K
h-BN
900(氧气)
2800(氮气)
25.1
0.7(⊥)
7.5(∥)
BeO
2000
255.4
7.8
Al2O3
1750
25.1
8.6
滑石瓷
1100
2.51
8.7
ZrO2
2000
2.09
10.0
石英玻璃
130
1.67-4.19
6.5
氟树脂
25
----六方氮化硼陶瓷的机械性能:摩擦系数低至0.16,高温下不增大,比二硫化钼、石墨耐温高,氧化气氛可用到900℃,真空下可用到2000℃。常温下润滑性能较差,故常与氟化石墨、石墨与二硫化钼混合用作高温润滑剂。六方氮化硼是一种软性材料,莫氏硬度仅为2。机械加工性好,可以车、铣、刨、钻、磨、切,并且加工精度高,所以可用一般机械加工方法加工成精度很高的零部件制品。
六方氮化硼的电性能:六方氮化硼是热的良导体,又是典型的电绝缘体。常温电导率可达10^16~10^18Ω/cm,即使在1000℃,电阻率仍有1014~106Ω/cm。h-BN的介电常数3~5。介电损耗为(2~8)*10-4,击穿强度为Al2O3的两倍,达30~40kV/mm,因此是理想的高频绝缘、高压绝缘、高温绝缘材料。
六方氮化硼的化学性能:HBN有优良的化学稳定性。与一般金属、稀土金属,贵重金属,半导体材料,玻璃,熔盐、无机酸、碱不反应。对大多数金属熔体,如钢、不锈钢、Al、Fe、Ge、Cu、Ni、Zn等既不润湿又不发生作用。因此,可用作高温热电偶保护套,熔化金属的坩埚、器皿、输送液体金属的管道,泵零件、铸钢的模具以及高温电绝缘材料等。
3. 立方氮化硼
立方氮化硼(c-BN)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料,因此它与金刚石统称为超硬材料。
超硬材料广泛应用于锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削刀具。金刚石高温容易氧化,特别是与铁系元素亲和性好,不适合用于铁系元素黑色金属加工。立方氮化硼晶体结构类似金刚石,硬度略低于金刚石,常用作磨料和刀具材料。
1957年,美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼,但至今尚未发现天然的立方氮化硼。
立方氮化硼晶胞
立方氮化硼的性能主要包括高硬度和热稳定性,显微硬度仅次于人造金刚石。
✔其热稳定性优于人造金刚石,在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度,具有很好的红硬性;
✔结构稳定,具有高的抗氧化能力,化学稳定性好,与金刚石相比尤其好,在高达1100~1300℃的温度下也不与铁族元素起化学反应,因此特别适合于加工黑色金属材料;
✔导热系数比金刚石小,但比硬质合金高,具有良好的导热性;
✔抗弯强度高;
✔作为磨具材料,使用寿命长、耐磨性好。
但是,单晶立方氮化硼晶粒尺寸小,各向异性,存在容易劈裂的解理面,脆性大,极容易发生解理破损。
c-BN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性,因此作为磨料c-BN砂轮广泛用于磨削加工中。
由于c-BN具有优于其它刀具材料的特性,因此人们一开始就试图将其应用于切削加工,但单晶c-BN的颗粒较小,很难制成刀具,且c-BN烧结性很差,难于制成较大的c-BN烧结体,直到20世纪70年代,前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的c-BN烧结体—聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。从此,PCBN以它优越的切削性能应用于切削加工的各个领域,尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜。
经过30多年的开发应用,现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀具材质。
PCBN刀具
4. 氮化硼的制备及应用
4.1 h-BN的制备与应用
1)硼砂-尿素(氯化铵)法
硼砂-尿素(氯化铵)法是将无水硼砂和尿素混合后在氨气流中加热反应而制得氮化硼粉。其反应方程式为:
此方法可实现连续生产,提高了生产效率,但在反应过程中经常出现玻璃相使产量明显降低,且后处理困难,故需进一步研究其反应机理并改进合成工艺。硼砂-尿素法是制备h-BN粉的传统方法,生产成本较低,投资少,工艺简单,适合工业生产,但是在反应过程中原料的反应不完全或生成含C的副产物会导致h-BN含量不高,合成得到的氮化硼的纯度不高,粒度均匀性差。
2)水(溶剂)热合成法
水(溶剂)热合成法是在高压釜里,采用水(或有机溶剂)作为反应介质,通过对高压釜加热,创造一个高温、高压反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并反应生成新的晶体。水热法通常用于合成氧化物或金属单质超细粉,在制备非氧化物超细粉方面的研究尚处于起步阶段。
选用合适的硼、氮源(如硼酸铵、三聚氰胺)对于提高h-BN含量有重要的影响,以水为溶剂比较环保,但需要较高的温度,而有机溶剂可将反应温度显著降低。
水热法的工艺条件相对容易控制,产物粒度可达到纳米级,均匀性和球形度良好,但产率普遍偏低。
3)化学气相沉积法(CVD)
CVD法制备h-BN粉一般采用热壁式反应器,将含B、N的气态原料通过载气导入到一个反应室内,在高温下气态原料之间发生化学反应生成BN粉,其中硼源普遍采用BF3、BCl3、BBr3或B2H6等含硼的化合物,氮源一般是NH3或N2。
CVD法制备的h-BN粉末纯度和球形度都较高,但在制备过程中需要对多种因素进行精确控制。
4)h-BN的应用
六方氮化硼是一种耐高温、耐腐蚀、高导热率、高绝缘性以及润滑性能优良的材料,被广泛地应用于石油、化工、机械、电子、电力、纺织、核工业、航天等部门。
 h-BN坩埚、绝缘管、蒸发舟和涂料
4.2 c-BN及PCBN的制备及应用
1)c-BN的制备
目前,c-BN单晶的合成主要是由静态高压触媒法合成,通常以六方氮化硼(h-BN)和不同的触媒为原料,在高温(1400~1800℃)和高压(4~8GPa)下合成c-BN单晶粉,颜色多为黑色或琥珀色。国内最早合成的c-BN采用金属镁作为触媒,后来主要采用金属氮硼化物.用氮硼化物合成的c-BN颜色浅,多为淡黄色、琥珀色或无色透明晶体,晶形完整、晶面光滑、单颗粒抗压强度较高。
目前常用的触媒主要是金属的氮化物、硼化物、氮硼化物合成c-BN,常用的氮化物有:Li3N、Mg3N2、Ca3N2;氮硼化物有Li3BN2、Mg3B4N4、Cs3B2N4。
h-BN的结晶状态、B2O3含量、吸附水量、晶粒度和颗粒度对h-BN→c-BN转化及c-BN晶体生长有显著影响。
2)PCBN的制备
采用合适粒度的c-BN单晶粉,在有无黏结剂的情况下,经高温(1500~2000℃)和高压(5~9GPa)烧结成聚晶立方氮化硼。
为了加强c-BN晶粒间的键接,合成PCBN通常加入一定比例的黏结剂。黏结剂的选用最终对PCBN的结构和性能产生重要影响。金属及其合金组成的金属基黏结剂能对提高PCBN的韧性起到良好的作用,但高温下黏结剂容易软化,对耐磨性不利;而陶瓷作为黏结剂,虽能解决高温下的软化问题,但PCBN抗冲击性能差、寿命短。现在多采用陶瓷与金属或金属合金组成的混合型黏结剂。
3)c-BN及PCBN的应用
小颗粒的c-BN单晶可以用作磨具材料。c-BN磨具是借助于结合剂的作用将c-BN磨粒粘结成具有一定几何形状的制品作为一种超硬材料磨具。PCBN克服了c-BN单晶易解理和各向异性等不足,主要用于制作刀具材料。PCBN刀具特别适合于高速切削加工,也可以高精密切削。