納米氮化硼(CY-HBN)的特性與應用簡介

作為石墨的結構類似物，BN某些理化性能卻比石墨更加優異。BN的性能如下：

1、熱學性能

（1）高耐熱性：空氣中抗氧化溫度高達900℃，惰性環境下在1800-2000℃開始分解；

（2）高導熱性：良好的導熱性，使BN成為陶瓷材料中導熱最佳的材料之一；

（3）低熱膨脹系數：膨脹系數為10-6，僅次于石英，是陶瓷中最小的。

2、電學性能

（1）高溫絕緣性好；2000℃下電阻為104Ω/cm，陶瓷中最好的高溫絕緣材料，

（2）良好的介電性能：介電常數為4，能透微波，常用作雷達天線的外保護層。

3、化學穩定性

（1）BN與大多數氧化劑、無機酸/堿不發生化學反應，呈現化學惰性，表現出良好的耐腐蝕性；

（2）對大多數的金屬既不發生化學反應，也不潤濕。

4、潤滑性能

常溫下具有優異的潤滑性能，同時高溫環境下也具有良好潤滑性能，廣泛應用在高溫固體潤滑劑領域。

二、氮化硼(CY-HBN)納米材料分類

1、各向同性BN納米材料

各向同性BN納米材料主要是指具有中心點對稱的實心納米球、空心納米球及類似的納米結構物質，圖2為BN納米球微觀組織。早在1990年有一份專利宣稱以BCl3和氨氣為原料，采用CVD法于低溫下制備出球形的BN粒子。以Zn和KBH4/NH4BF4為原料，采用溶劑熱法制備出BN空心納米球體，但顯然這是一條較危險的合成路線。

2、各向異性BN納米材料

（1）氮化硼(CY-HBN)納米管

自從制備出碳納米管(Carbon Nanotube，CNT)后，研究人員將研究重點放在氮化硼納米管(Boron Nitride Nanotube，BNNT)的制備、性能、結構及其應用方面，如圖3所示。氮化硼納米管的結構與碳納米管的結構類似，B原子和N原子交替取代了石墨片層中的C原子形成納米管狀結構可以分為單壁管和多壁管。氮化硼納米管有三種結構類型：扶手椅型、鋸齒型和手性型。常用的制備方法主要包括電弧放電法、激光燒燭法、球磨法、等離子體噴射法、碳納米管置換法、化學氣相沉積法等。

（2）氮化硼納米線

氮化硼納米線(Boron Nitride nanowire，BNNW) —般是伴隨在制備氮化硼納米管的過程中產生。在上世紀七十年代初，就以氨氣、氧化硼為原料合成了氮化硼納米線，但前驅體納米線的品質、氨化過程卻相當難以控制。盡管氮化硼納米線具有比碳纖維更加優良的抗氧化性和介電性能，但相對碳纖維而言，對氮化硼納米線研究要少得多。目前，人們還在研究一種可用來合成氮化硼納米線的聚合物前驅體，該前驅體是硼氮烷類物質。

（3）氮化硼納米片

二維六方氮化硼(CY-HBN)納米片結構類似于石墨結構，可看成是B和N原子依次取代石墨中的C原子而得到。圖4所示的是石墨烯和單層六方氮化硼(CY-HBN)的結構比較。單層氮化硼納米片在近些年才得到關注，但是與具有較長研究歷史的石墨稀相比，單層氮化硼的研究還屬于起步階段。在石墨結構中，每個碳層是以相對較弱的范德華力相互吸引而堆在一起，而在多層氮化硼片中，由于B-N鍵之間存在偏極性，從而導致每個BN層之間存在作用力。這也是單層氮化硼納米片很難得到的原因之一，而多層氮化硼片有利于整體結構的穩定。

發現長期以來人們將研究重點放在對各向異性的氮化硼納米材料特別是對BNNT的研究上，其生長機理也研究得較透徹，但BNNT的合成難以大規模化，距離實際應用還有較長的路。相對而言，有關各向同性的BN納米球體的研究較少，對其生長機理研究也不夠深入。

三、氮化硼納米材料應用及前景簡介

制備與表征氮化硼納米材料是為了改進傳統氮化硼材料的性能，發揮其納米量級的各種效應，達到預期優良性能，拓展新的應用領域。

1、氮化硼涂層

在高溫下具有的明顯化學惰性，使氮化硼涂層可用來保護鋁、鎂、鋅合金等材料免受高溫氧化。當將氮化硼涂層包覆耐火材料或陶瓷器皿后，即使溫度高達1273K時，氮化硼(CY-HBN)涂層能有效保護其抗氧化。圖6為采用氮化硼做涂層的刀具。

2、BN的高導熱性

BN的高導熱性一直是科研工作者所熱衷的，主要是利用納米h-BN和c-BN的高導熱系數制備復合材料以起到加速散熱和導熱的效果。圖7為氮化硼納米片復合材料導熱機理。同時可解決熱導材料與處于運行中的電氣部件相接觸而需要的高電阻率材料避免短路的問題，BN比碳納米管更適合做熱導材料。將超聲剝離的二維氮化硼納米片和一維纖維素納米纖維共混，制備的復合材料熱導率高達 180W/(m·K)，是迄今為止熱導率最高的納米復合材料。

3、凈化水

有效的去除水中的油、有機溶劑和染料是全球性的水資源保護的問題。開發先進的具有優異吸附量的吸附劑材料迫在眉睫。使用三氧化二硼和鹽酸胍為原料，在 N2/H2 混合載氣下加熱1100℃保持 2 小時。合成的氮化硼納米片比表面積高達1427m2/g，如圖8所示，其吸附水中乙醇，甲苯，油等污染物的能力顯著超過了常用的吸附材料。更有趣的是，氮化硼(CY-HBN)納米片制成的多孔坯體材料吸收油以后還可以簡單地在空氣中燃燒去除油污，其強化學惰性和抗氧化性使它在油污燃燒后可以重復使用。

4、儲氫材料

氫氣是目前最清潔的能源，對解決大氣污染問題有著光明的發展前景。如何能夠安全有效的使用和儲存氫氣，是研究者首要解決的問題。用三聚氰胺和硼酸作為前驅體，在 900-1100℃制備了多孔BN納米帶，比表面積高達1488m2/g，是已報道的氮化硼家族中比表面積最大的，其儲氫性能也非常卓越。圖9所示是氮化硼納米帶的形貌和氫氣吸附-脫附曲線。

作為一種先進的納米材料和陶瓷材料，氮化硼(CY-HBN)納米材料以其優秀的物理和化學性能受到了各個領域的青睞，在光電、環保及日化等領域也必將發揮更重要的作用。我們需要在已有的研究和應用基礎上，開拓思路，實現氮化硼納米材料的大規模、經濟實惠、零污染合成，促進廣泛應用。