氮化硼的晶体结构与制备

氮化硼作为一种重要的无机非金属材料，具有机械性能好、导热性能高、化学性质 稳定、抗氧化能力强等一系列优异性能特点，而具有高比表面的氮化硼材料在储氢材料、催化剂载体、环境保护等领域有着潜在的应用价值。

晶体结构与性质

六方氮化硼又称h-BN、α-BN或g-BN（graphitic BN），结构类似于石墨，有时也称“白石墨”，它是最普遍使用的氮化硼形态。和石墨相似，六方形态是由许多片六边形组成。这些薄片层与层之间的相关结构（registry）不同，但是从石墨的排列模式中看出，这是由于硼原子在氮原子上面使氮化硼的原子变成椭圆的。如此结构反映出硼—氮链的极性。

六方晶形α-BN   方晶形α-BN   闪锌矿晶形β-BN   纤维锌矿晶形的BN

氮化硼中较低的共价性质，使它成为导电性相对于石墨较低的半金属，电在它六边形薄片中pi-链的网络中流通。六方氮化硼的缺乏颜色，显示较低的电子离域性，表示其能隙较大。

六方氮化硼在极低和极高（900 °C）的温度甚至是氧气下都是一种很好的润滑剂，它在石墨的导电性和与其它物质的化学反应造成困难时特别有用。由于它的润滑机理并不涉及到层面之间的水分子，氮化硼润滑剂还可以在真空下使用，如在太空作业时。

六方氮化硼在空气中高达1000 °C、真空中1400 °C和在惰性气体中2800 °C都仍然稳定，也是其中一种导热性的绝缘体。它对多数物质都不产生化学反应，也不被许多融化物质所沾湿（如：铝、铜、锌、铁和钢、铬、硅、硼、冰晶石、玻璃和含有卤素的盐类。

细粒的h-BN被用于一些化妆品、颜料、补牙剂和铅笔芯。

制造

六方氮化硼可由三氯化硼经过氮化或氨解后制作而成。六方氮化硼部件可由加热加压和其后的机械加工造出，因为它的硬度与石墨相当，所以加工成本不高。这些部件都由氮化硼粉末制造，以氧化硼作为烧结剂。氮化硼薄膜可以由三氯化硼和氮雏形化学气相沉积后形成。而工业制造是基于两个化学反应：熔化的硼酸与氨、硼酸或碱性硼化物与尿素、胍、蜜胺或其他适当的氮气中的有机氮化合物。制作超细氮化硼润滑剂和toner则需要在氮气中以5500°C高温燃烧硼粉末。

B2O3 + 2 NH3 → 2 BN + 3 H2O (800 - 1200°C)

B2O3 + 3 C + N2 → 2 BN + 3 CO (1800 - 1900°C)

立方氮化硼也叫c-BN、β-BN或z-BN，结构类似于钻石，极其坚硬，显微硬度HV72000～98000Mpa，硬度仅低于钻石。和钻石相似，立方氮化硼是一种绝缘体但却是一种极佳的导热体。是被广泛使用的工业钻磨工具。

由于它铁、镍和其他高温合金中是不可溶的，所以CBN适合加工铁镍等黑色金属，而钻石会和这些物质发生化学反应而造成刃具迅速磨损。多晶体c-BN钻磨工具多用于机械钢铁，同时钻石钻磨工具多用于铝合金、陶器和玻璃。如钻石一样，立方氮化硼由于声子有着高传热性。在高温中与氧接触，氮化硼会形成一个氧化硼的钝化层。氮化硼可以和金属很好地结合，这是因为硼或氮合金交错层的形成。

立方体氮化硼晶体材料常被用在切割工具的切割头。用于磨料时，一般使用合成树脂、多孔性陶瓷等做粘合剂。商业产品名称包括“Borazon”（Diamond Innovations）和“Elbor”或“Cubonite”（by Russian vendors）。

烧结的立方氮化硼是一种不导电的散热片材料，故在微电子学领域中有潜在应用价值。

制备方法

1. 一种球形氮化硼，其特征在于制备方法包括如下步骤：

1) 将模板剂、氮源和硼源在磁力搅拌下溶于水，得无色透明溶液；其中，所述的模板剂 是葡萄糖、MCM-15分子筛或Y-分子筛；所述的氮源是尿素、三聚氰胺、缩二脲、氯化铵或硝 酸铵；所述的硼源是硼酸；模板剂、氮源和硼源的摩尔比为1. 0-8. 5 :1 :1 ;

2) 将无色透明溶液放入不锈钢反应釜内，将反应釜放置于恒温烘箱内，于 180°C -220°C，反应24-110h，自然降温至室温，抽虑，沉淀依次用水和乙醇洗涤，干燥后得 固体A ;

3) 将固体A置于高温炉内，在空气气氛下，以每分钟1-6 °C的升温速率升温至 450-900°C，在450-900°C下保温2-12小时，得固体B ;

4) 将固体B置于密闭容器内，在保护气体下，以每分钟1-6 °C的升温速率升温至 900-1700°C，在 900-1700°C下保温 1-14 小时，得固体 C ;

5) 将固体C，用盐酸水溶液浸渍1-24小时，并超声、搅拌，然后抽虑，沉淀用水和乙醇洗 涤，然后于50-150°C下干燥3-24小时，得目标产品球形氮化硼。