氮化硼納米材料的合成與應(yīng)用研究進(jìn)展

郭大為

摘 要：氮化硼納米材料具有較多的優(yōu)勢，如導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、耐熱性以及介電性。氮化硼納米材料也具有多種形態(tài)，如納米片、納米管以及納米球，這些形態(tài)的納米材料在高分子材料、日用化學(xué)品以及光電子等多個領(lǐng)域中有較多的應(yīng)用，并且取得了較為可觀的成效，其合成工藝也逐步成熟。因此，本文詳細(xì)的分析了氮化硼納米材料的合成與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氮化硼；納米材料；合成；應(yīng)用

從二十世紀(jì)九十年代至今，納米技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并且也得到了廣泛的應(yīng)用，通常納米技術(shù)都應(yīng)用在環(huán)保、光電、航天以及能源等領(lǐng)域中，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

氮化硼具有較好的化學(xué)性能和物理性能，如導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、耐熱性、耐磨性以及介電性等，具有較大的應(yīng)用潛力。最近幾年，越來越多的研究學(xué)家對氮化硼納米材料越來越重視，并且在很多的領(lǐng)域中都有突破性成果。氮化硼主要有以下四種晶型：六方氮化硼、立方氮化硼、菱方氮化硼、纖鋅礦氮化硼。目前我國在對氮化硼研究的時候主要是在六方氮化硼、立方氮化這兩個方面，利用氮化硼的力學(xué)性和導(dǎo)熱性，越來越多的應(yīng)用在光電領(lǐng)域中。

1 氮化硼的合成方法

1.1 六方氮化硼

六方氮化硼的結(jié)構(gòu)和石墨的結(jié)構(gòu)沒有太大的差別，因而六方氮化硼有“白色石墨”的稱號。六方氮化硼在制備的過程中受多種因素的影響，如純度低、條件高、成本高以及產(chǎn)量小等，導(dǎo)致其應(yīng)用的范圍小。所以當(dāng)前急需要找一種適合的合成方法，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)量大、純度高等目標(biāo)[1]。

當(dāng)前合成六方氮化硼的方法有十多種，主要是用含硼化合物引入氨基并調(diào)控反應(yīng)參數(shù)而制得。含硼化合物主要包括噴酸鹽、硼的鹵化物及其酸類、硼的氧化物等；而引入氨基主要是通過氨氣、尿素以及氮氣等含氨基化合物。合成六方氮化硼制備的方法有多種，如軟模板法、硬模板法、水合成法、氣相沉積法等，還有一些比較簡單的方法，如高壓合成法。在730攝氏度以下可以該方法合成六方氮化硼，先通過在400攝氏度到500攝氏度由渦旋氮化硼轉(zhuǎn)化成菱方氮化硼和六方氮化硼，然后再在690攝氏度下完全轉(zhuǎn)化成六方氮化硼，晶型也從無形片狀轉(zhuǎn)化成三角形狀再轉(zhuǎn)化成六邊形狀。另外如果從原料方面分類，可以通過氧化硼法、元素硼法、鹵化硼法、電弧等離子法以及硼砂氨化法等幾種合成方法。

1.2 立方氮化硼

立方氮化硼具有十分穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，當(dāng)前立方氮化硼的硬度僅僅比金剛石的硬度小，因此立方氮化硼經(jīng)常被當(dāng)做是刀具和磨料材料。立方氮化硼主要有以下兩種合成方法：①高溫合成法。該方法在合成的過程中主要就是將堿和堿土金屬或者是堿和堿土氮化物添加在六方氮化硼當(dāng)中，然后將其作為催化劑在接近1700攝氏度、壓力最低是11帕到12帕的情況下合成立方氮化硼；②化學(xué)氣相沉積法。該方法主要是通過在耐熱石英管中加熱三氯化硼、乙硼烷以及氨氣的混合氣體，然后使氣體在高溫的情況下進(jìn)行分解然后沉積成膜，而立方氮化硼是膜的主要成分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，慢慢出現(xiàn)了其他新的合成方法，如苯熱合成法、激光誘發(fā)還原法、水熱合成法以及碳熱合成法等，

1.3 其他類型的碳化硼

菱方氮化硼和纖鋅礦氮化硼沒有太多的報道，主要是因為纖鋅礦氮化硼出現(xiàn)的時間不長，進(jìn)而對其也沒有太多的研究時間。菱方氮化硼具有較強的機械強度，可以將六方氮化硼作為原料然后利用沖擊波進(jìn)行合成制得，或者是將六方氮化硼作為原料然后利用爆炸法進(jìn)行合成制得。由于受實驗裝置和條件的制約，使得這兩種方法不能大量的生產(chǎn)菱方氮化硼，只有對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化才能增加菱方氮化硼的產(chǎn)量。由于菱方氮化硼比較特殊，所以在對實驗參數(shù)進(jìn)行調(diào)控的時候可以將其轉(zhuǎn)化成另外三種類型的氮化硼，并且制成的菱方氮化硼多以和六方氮化硼混合物存在。

2 氮化硼納米材料性能應(yīng)用

2.1 機械特性方面的應(yīng)用

氮化硼納米材料的機械性能十分優(yōu)異，也就是其擁有磨耗低、腐蝕小、潤滑性好、易加工、安全性強以及耐火等優(yōu)勢。因此，可以在水系或者油系中將氮化硼納米材料的粉末仿作是潤滑劑和脫模劑。如陳曉虎在氧化鋁陶瓷基體中加入氮化硼納米材料粉末，然后利用熱壓工藝制作出了陶瓷基摩擦材料，由于六方氮化硼和氧化鋁匹配的熱膨脹系數(shù)關(guān)系，六方氮化硼體現(xiàn)出了較好的潤滑作用，并且在溫度較高的情況下，氧化鋁的摩擦性能也沒有明顯的減弱。又如Cui[2]等研究了用乙烯-醋酸乙酯和聚氨基甲酸乙酯作為熱熔粘結(jié)劑，然后加入六方氮化硼，利用靜電紡絲法制備成的高溫表面積粘附聚合物纖維具有較好的拉伸性和抗剪強度，因此，該材料在作為基體材料上具有較強的應(yīng)用價值。

立方氮化硼具有高溫穩(wěn)定性、硬度高等性能，因此當(dāng)前該材料一般都是作為超硬磨削材料。因為單晶立方氮化硼的顆粒比較小，不能直接用其制成刀具，所以在制作刀具的時候通常都是選擇聚晶立方氮化硼[3]。在高溫抗摩擦材料中也經(jīng)常會使用立方氮化硼，通過實驗，對立方氮化硼固體涂層、無涂層、耐高溫膠涂層的摩擦系數(shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，立方氮化硼固體涂層具有較強的優(yōu)勢[4]。在溫度是300攝氏度。壓力是100牛的情況下，當(dāng)工件沒有涂高溫膠在摩擦過程中，僅僅3分鐘就不能繼續(xù)試驗，并且摩擦系數(shù)為1.4；當(dāng)工件涂高溫膠以后進(jìn)行摩擦實驗，那么可以保持14分鐘，同時摩擦系數(shù)在3分鐘內(nèi)就達(dá)到了1.2；而工件涂了立方氮化硼，其摩擦系數(shù)一直保持在0.4左右。

2.2 電氣特性方面的應(yīng)用

氮化硼在低介電常數(shù)、高頻率下具有低損耗、電絕緣性好以及可微波穿透等優(yōu)勢。同時氮化硼納米材料在光電方面也具有明顯的優(yōu)勢。Yang[5]等研究了用氮化硼納米片負(fù)載銀納米例子復(fù)合材料可以使得滿散射效（下轉(zhuǎn)第124頁）

（上接第122頁）應(yīng)進(jìn)一步增強。氮化硼的帶隙寬比5eV大，由于薄氮化硼納米片的二維晶體結(jié)構(gòu)的特定邊緣結(jié)構(gòu)使氮化硼有了新的性質(zhì)，然后讓其作為輔助性基本，最終在納米材料的幫助下合成新的特殊的材料。又如Yang[6]等研究了氮化硼-金納米簇復(fù)合材料，其被廣泛的應(yīng)用在生物傳感檢定中，并且有較好的前景。金納米的細(xì)胞毒性比較低，具有光致發(fā)電穩(wěn)定、電化學(xué)活性強以及表面嫁接能力好等優(yōu)勢，但是這種納米材料因為顆粒小且易聚，所以選擇聚二甲基二烯丙基氯化銨作為助劑，然后粘附在氮化硼上面，對熒光納米粒子進(jìn)行原位修飾，最后得到的粒子具有較好的金附著性和生物性相容性，然后固定Ab2型抗體去檢測白細(xì)胞介素-6，可以將其應(yīng)用在對早起腫瘤細(xì)胞的檢測中。

3 結(jié)束語

氮化硼作為一種比較先進(jìn)的陶瓷材料和納米材料，其自身所具有的獨特的化學(xué)性能和物力性能使其在社會各個領(lǐng)域中受到熱烈的歡迎，并且在環(huán)保、光電等領(lǐng)域具有重要的作用。在合成中由于工藝的影響，導(dǎo)致許多方面還存在不足，因此在以后的發(fā)展中，要加大對合成工藝的研究以及對實踐應(yīng)用的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張舵，賈曉鳴.立方氮化硼固體涂層摩擦學(xué)性能[J]河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，36（9）：28-31.

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