导读：氮化硼(CY-HBN)，化学式BN，一种非氧化物的材料，是碳(C2)的等电子体，其晶体的晶型结构与石墨相似，是目前研究和应用较多的氮化物陶瓷材料之一。根据晶体结构类型，BN主要包括：六方氮化硼(CY-HBN)、立方...
氮化硼(CY-HBN)，化学式BN，一种非氧化物的材料，是碳(C2)的等电子体，其晶体的晶型结构与石墨相似，是目前研究和应用较多的氮化物陶瓷材料之一。根据晶体结构类型，BN主要包括：六方氮化硼(CY-HBN)、立方氮化硼(c-BN)、斜方氮化硼(r-BN)、纤锌矿氮化硼(w-BN)。
一、氮化硼(CY-HBN)具有哪些特性呢？
作为石墨的结构类似物，BN某些理化性能却比石墨更加优异。BN的性能如下：
1、热学性能
（1）高耐热性：空气中抗氧化温度高达900℃，惰性环境下在1800-2000℃开始分解；
（2）高导热性：良好的导热性，使BN成为陶瓷材料中导热最佳的材料之一；
（3）低热膨胀系数：膨胀系数为10-6，仅次于石英，是陶瓷中最小的。
2、电学性能
（1）高温绝缘性好；2000℃下电阻为104Ω/cm，陶瓷中最好的高温绝缘材料，
（2）良好的介电性能：介电常数为4，能透微波，常用作雷达天线的外保护层。
3、化学稳定性
（1）BN与大多数氧化剂、无机酸/碱不发生化学反应，呈现化学惰性，表现出良好的耐腐蚀性；
（2）对大多数的金属既不发生化学反应，也不润湿。
4、润滑性能
常温下具有优异的润滑性能，同时高温环境下也具有良好润滑性能，广泛应用在高温固体润滑剂领域。
二、氮化硼(CY-HBN)纳米材料分类
1、各向同性BN纳米材料
各向同性BN纳米材料主要是指具有中心点对称的实心纳米球、空心纳米球及类似的纳米结构物质，图2为BN纳米球微观组织。早在1990年有一份专利宣称以BCl3和氨气为原料，采用CVD法于低温下制备出球形的BN粒子。以Zn和KBH4/NH4BF4为原料，采用溶剂热法制备出BN空心纳米球体，但显然这是一条较危险的合成路线。
2、各向异性BN纳米材料
（1）氮化硼(CY-HBN)纳米管
自从制备出碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)后，研究人员将研究重点放在氮化硼纳米管(Boron Nitride Nanotube，BNNT)的制备、性能、结构及其应用方面，如图3所示。氮化硼纳米管的结构与碳纳米管的结构类似，B原子和N原子交替取代了石墨片层中的C原子形成纳米管状结构可以分为单壁管和多壁管。氮化硼纳米管有三种结构类型：扶手椅型、锯齿型和手性型。常用的制备方法主要包括电弧放电法、激光烧烛法、球磨法、等离子体喷射法、碳纳米管置换法、化学气相沉积法等。
（2）氮化硼纳米线
氮化硼纳米线(Boron Nitride nanowire，BNNW) —般是伴随在制备氮化硼纳米管的过程中产生。在上世纪七十年代初，就以氨气、氧化硼为原料合成了氮化硼纳米线，但前驱体纳米线的品质、氨化过程却相当难以控制。尽管氮化硼纳米线具有比碳纤维更加优良的抗氧化性和介电性能，但相对碳纤维而言，对氮化硼纳米线研究要少得多。目前，人们还在研究一种可用来合成氮化硼纳米线的聚合物前驱体，该前驱体是硼氮烷类物质。
（3）氮化硼纳米片
二维六方氮化硼(CY-HBN)纳米片结构类似于石墨结构，可看成是B和N原子依次取代石墨中的C原子而得到。图4所示的是石墨烯和单层六方氮化硼(CY-HBN)的结构比较。单层氮化硼纳米片在近些年才得到关注，但是与具有较长研究历史的石墨稀相比，单层氮化硼的研究还属于起步阶段。在石墨结构中，每个碳层是以相对较弱的范德华力相互吸引而堆在一起，而在多层氮化硼片中，由于B-N键之间存在偏极性，从而导致每个BN层之间存在作用力。这也是单层氮化硼纳米片很难得到的原因之一，而多层氮化硼片有利于整体结构的稳定。
发现长期以来人们将研究重点放在对各向异性的氮化硼纳米材料特别是对BNNT的研究上，其生长机理也研究得较透彻，但BNNT的合成难以大规模化，距离实际应用还有较长的路。相对而言，有关各向同性的BN纳米球体的研究较少，对其生长机理研究也不够深入。
三、氮化硼纳米材料应用及前景简介
制备与表征氮化硼纳米材料是为了改进传统氮化硼材料的性能，发挥其纳米量级的各种效应，达到预期优良性能，拓展新的应用领域。
1、氮化硼涂层
在高温下具有的明显化学惰性，使氮化硼涂层可用来保护铝、镁、锌合金等材料免受高温氧化。当将氮化硼涂层包覆耐火材料或陶瓷器皿后，即使温度高达1273K时，氮化硼(CY-HBN)涂层能有效保护其抗氧化。图6为采用氮化硼做涂层的刀具。
2、BN的高导热性
BN的高导热性一直是科研工作者所热衷的，主要是利用纳米h-BN和c-BN的高导热系数制备复合材料以起到加速散热和导热的效果。图7为氮化硼纳米片复合材料导热机理。同时可解决热导材料与处于运行中的电气部件相接触而需要的高电阻率材料避免短路的问题，BN比碳纳米管更适合做热导材料。将超声剥离的二维氮化硼纳米片和一维纤维素纳米纤维共混，制备的复合材料热导率高达 180W/(m·K)，是迄今为止热导率最高的纳米复合材料。
图7 氮化硼纳米片复合材料导热机理
3、净化水
有效的去除水中的油、有机溶剂和染料是全球性的水资源保护的问题。开发先进的具有优异吸附量的吸附剂材料迫在眉睫。使用三氧化二硼和盐酸胍为原料，在 N2/H2 混合载气下加热1100℃保持 2 小时。合成的氮化硼纳米片比表面积高达1427m2/g，如图8所示，其吸附水中乙醇，甲苯，油等污染物的能力显著超过了常用的吸附材料。更有趣的是，氮化硼(CY-HBN)纳米片制成的多孔坯体材料吸收油以后还可以简单地在空气中燃烧去除油污，其强化学惰性和抗氧化性使它在油污燃烧后可以重复使用。
4、储氢材料
氢气是目前最清洁的能源，对解决大气污染问题有着光明的发展前景。如何能够安全有效的使用和储存氢气，是研究者首要解决的问题。用三聚氰胺和硼酸作为前驱体，在 900-1100℃制备了多孔BN纳米带，比表面积高达1488m2/g，是已报道的氮化硼家族中比表面积最大的，其储氢性能也非常卓越。
作为一种先进的纳米材料和陶瓷材料，氮化硼(CY-HBN)纳米材料以其优秀的物理和化学性能受到了各个领域的青睐，在光电、环保及日化等领域也必将发挥更重要的作用。我们需要在已有的研究和应用基础上，开拓思路，实现氮化硼纳米材料的大规模、经济实惠、零污染合成，促进广泛应用。
