功能化的六方氮化硼材料:性能与应用

作者:氮硼科技 2024-01-11

六方氮化硼(英文名称为Hexagonal Boron Nitride,缩写为h-BN),由于六方氮化硼的结构和石墨非常相似,具有六方层状结构,质地柔软,可加工性强,并且颜色为白色,所以俗称“白石墨”。

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六方氮化硼是仅一个原子厚度的层状二维材料,由氮原子和硼原子组成,在晶体结构上呈六边形排列,这种结构赋予六方氮化硼许多独特的物理和化学性质,使其在许多领域具有广泛的应用前景。


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,h-BN还具有高热稳定性、良好的导热性和电绝缘性、宽带隙(约5.5 eV)、独特的紫外发光性能、润滑性好、机械强度高、耐化学腐蚀性,具有中子吸收能力等明显特点。



六方氮化硼应用领域

所谓结构决定性能,性能决定应用,六方氮化硼具备的多种特性,使得它被广泛应用于高科技领域。如:制备立方氮化硼、陶瓷制品、导热塑料、颜料、精密铸造脱模剂、透波材料、化妆品、芯片散热材料等。

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芯片散热材料

随着电子元件和系统的体积不断变小,速度不断变快,热处理和可靠性成了影响它们寿命的关键问题。局部高热流热点的热管理是大功率电子器件的关键,不理想的散热会造成芯片中特殊区域温度过高,影响电子系统性能和电子器件的可靠性。

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耐高温润滑剂

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,这使得它在石墨的导电性和与其它物质发生化学反应造成应用受限时特别有用,并且h-BN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。


氮化硼复合陶瓷

六方氮化硼粉体可以通过热压工艺制备高温绝缘陶瓷材料。其典型应用是电子零件,尤其是在硅半导体加工中应用颇多:CVD坩埚,微电路封装,溅射靶材,高精度密封,钎焊和金属化支撑体,微波管,立式浇铸密封环,低摩擦密封件,等离子弧绝缘件,热电偶保护管,高温窑炉固定和支撑体等。

六方氮化硼与二硼化钛复合制备的导电复合陶瓷主要用于金属镀膜工业,主要是真空蒸镀包装材料、电容器金属化真空镀膜、显示屏镀层、烫金镀层、防伪标志镀层、反光镀膜以及纸张、纺织品镀铝等。

利用六方氮化硼的耐热耐侵蚀性可以制作高温构件、火箭燃烧室内衬等。六方氮化硼与氮化硅通过气压烧结复合,可以制作低介电常数和介电损耗的远程导弹陶瓷天线罩。六方氮化硼陶瓷还可以作为核反应堆零部件,提高反应堆运行的安全性。

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导热塑料的填料

导热工程塑料是将高导热填料、加工助剂添加在工程塑料或通用塑料基质中复合而成,可以分为电绝缘型和非电绝缘型两大类型。电绝缘导热工程塑料主要针对电子工业、照明行业等高集成化和多分层化需求,是针对工程塑料基材的电绝缘性和导热性同时有要求的情况而开发的。

六方氮化硼优良的绝缘性能和导热性能使其成为很受关注的陶瓷填料。在LED灯具外壳、反射器、手柄、紧固部件、接口、滑动部件、风扇叶片、操作部件、光孔道等已经得到了广泛应用。这些LED灯具提高了在电器、医疗、航空航天、汽车、照明、笔记本电脑等器件的性能。


精密铸造、有色铸造脱模剂

六方氮化硼良好的润滑性及防粘(脱模)性,可以用于精密件、有色金属铸件铸造过程中作为脱模剂,可有效提高铸件的表面质量。六方氮化硼涂覆在金属及陶瓷等材料后,可以使材料具有良好的润滑性及防粘(脱模)性,并可阻止或减少材料与熔体之间的化学反应,提高材料寿命。

六方氮化硼还是玻璃加工过程中的理想材料,有助于将玻璃制品的表面缺陷减至最低、使之更容易脱模,提高模具/压模的使用寿命,减少模具清理所需的时间,且大多数玻璃不会与氮化硼粘结。


高温防腐涂料

随着航空、航天、汽车以及兵器等行业的迅速发展,对于金属材料的使用性能要求越来越高,不仅需要在更高的使用温度以及更为苛刻的腐蚀环境下作业,同时还要具有抗震动、抗疲劳、抗温度骤变以及耐冲刷等性能,有机高分子材料已很难满足使用要求。

六方氮化硼具有良好的化学稳定性,在空气中高达1000℃、真空中1400℃和在惰性气体中2800℃都仍然稳定,且对大多数金属熔体如钢、不锈钢、铝、铁及铜等既不润湿又不发生作用并具有良好的润滑性能。六方氮化硼涂层与基体结合力强,涂层硬度高,抗摩擦,抗冲击。随着有色冶炼工业的发展,耐高温氮化硼涂料的用途遍及流槽、分流盘、铸造台内衬、过滤箱、转接板、铸咀、撇渣器、浇包,转运包等产品表面。

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化妆品行业

六方氮化硼带有静电粒子,在化妆品中加入3%~30%,不仅可增加化妆品附着力和遮盖力,还有良好的滑移特性,使彩妆产品紧致、易涂抹、易于清洁去除,不需硬脂酸盐等添加剂。六方氮化硼粉末为白色,加入化妆品中使肤色白皙动人。六方氮化硼比表面积高,有很多悬挂键与液体溶剂连接,从而有优异的遮盖性能,营造均匀美白、纯净无暇的效果。

中子吸收涂料填料

六方氮化硼粉体中硼含量高,硼的热中子吸收界面大,以六方氮化硼为主要颜填料的涂料,特别是以聚氨酯为成膜介质的涂料,不仅具有良好的快中子和慢中子吸收特性,而且呈现明亮的白色,可美化环境。


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