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导热不导电,“白石墨”六方氮化硼的奇妙应用
2018年10月10日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:312
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说到氮化硼(h-BN),最为引人乐道的就是它优异的热性能。身为陶瓷材料中导热最佳的材料之一,h-BN的结构与石墨类似,具有六方层状结构,呈现松散、润滑、质轻质软等性状,可加工性强,又由于其色为白,因此也被称为“白石墨”。

 

淄博市新阜康特种材料有限公司,坐落于齐国故都临淄,“中国化工名镇”——金山镇工业园区。多年来,新阜康专注于氮化物陶瓷材料的研发、生产、销售,主要产品包括:六方氮化硼粉体及其制品、氮化铝粉体、氮化硅粉体、氮化物复合陶瓷制品等。目前,新阜康已成为全国六方氮化硼粉体产销量最大的生产企业,产品经过国家建筑材料测试中心检测,各项技术指标处于国内同行业领先地位,并出口到台湾、日本、韩国、欧美等地区和国家,公司已通过了ISO9001:2000国际质量体系认证,并拥有自营进出口权。

 

相关阅读:淄博新阜康:国内最大的“白石墨”六方氮化硼生产企业

 

1  h-BN和其它材料的热性能比较

 

h-BN的优势并不仅限于此,它不仅是热的良导体,而且还是典型的电绝缘体——常温电导率可达1016~1018Ω/cm(1000℃时仍达1014~106Ω/cm);介电常数3~5。介电损耗为(2~8)*10-4,击穿强度为Al2O3的两倍,达30~40kV/mm,因此是理想的高频绝缘、高压绝缘、高温绝缘材料。

 

氮化硼粉体及陶瓷制品(图片来源:淄博新阜康)

 

凭借如此难得的特性,h-BN在一些领域中起着难以被替代的作用。关于它的应用,感谢来自全国六方氮化硼粉体产销量最大的生产企业——淄博市新阜康特种材料有限公司的孙鹏先生为小编提供了详细的资料及说明,下文中小编便将部分重点应用归纳总结,方便参考。

 

氮化硼的应用

h-BN颗粒的各方面性能受纯度影响较大,而烧制条件以及产品后处理会直接影响纯度,因此制备高纯度的六方氮化硼颗粒是保证其广泛应用的前提。

而在不同领域中,就算是同一成分的原料,由于使用目的不同,原料规格自然也有所差异。在交流过程中,孙鹏先生也以自家产品规格及用途做了描述(如下表)。

 

2 新阜康h-BN粉体规格及应用

类别

产品规格

纯度

白度

粒度(μm)

应用

C

特级

≥99%

≥95%

0.5-3

氮化硼陶瓷

复合陶瓷

导电陶瓷

超硬材料

脱模润滑材料

高温涂料

导热填料

化妆品

一级

≥98%

≥95%

二级

≥97%

≥95%

AD

特级

≥99%

≥95%

0.1-10

一级

≥98%

≥95%

AG

特级

≥99%

≥95%

5-30

一级

≥98%

≥95%

Q

特级

≥99%

≥95%

30-200

N

特级

≥99%

≥95%

50-500 nm

 

1、高温润滑剂

h-BN具备十分优异的高温润滑性,作为润滑剂使用时,可以分散在耐热润滑脂、水或溶剂中;喷涂在摩擦表面上,待溶剂挥发而形成干模,因h-BN与钢、不锈钢、铝等既不润湿又不发生作用,因此它常用于抗熔融金属腐蚀的场合,如熔炼蒸发金融的坩锅、舟皿、液态金融输送管等。

 

2、导热填料

BN作为填料已经广泛应用于导热复合材料,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。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。

 

添加了氮化硼粉末的导热硅胶片,

可在压缩力下表现较低的热阻和较高的电子绝缘特性

 

3、耐高温涂料

氮化硼在高温下具有的明显化学惰性,使得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,氮化硼涂层也能有效保护其抗氧化。

 

而在前两年的一项研究中,h-BN纳米片涂层也被用于木材防火上,效果可见下图。

 

 

有涂层的木材与没有涂层的木材抗燃烧对比

(图片来源:《涂了它,想着火也难》)

 

4、脱模剂

普通的润滑油及弗素树脂、石墨等,在一定的高温环境下都会失去润滑功能。但以固体润滑剂氮化硼为原料的耐超高温脱模剂在极端高温下依旧能保持优良的润滑性、脱模性,因此适用于金刚石工具的成型,高温硬化性树脂的成型,烧结金属的成型,铝框的压制,玻璃的成型,压铸的脱模等。

 

5、高绝缘高导热陶瓷制品

氮化硼陶瓷具有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度,是理想的散热材料和高温绝缘材料。由于其化学稳定性好,因此能抵抗大部分熔融金属的浸蚀;制品硬度低(莫氏强度2)因此可进行精度为1/100mm的机械加工。常用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成形模具等。

 

氮化硼陶瓷制品(图片来源:新阜康)

 

6、合成立方氮化硼

C-BN是氮化硼的另一种常用形态,其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料,并且也是理论的低温稳定相。利用h-BN在触媒参与下,在高温(1800℃)、高压(800Mpa)下转变为坚硬如金刚石的c-BN氮化硼,是当前合成氮化硼的主要方法之一。

 

氮化硼晶体

 

7、化妆品

凭借层状晶体结构带来的润滑、质轻等特性,h-BN粉体也可在化妆品中作为体质颜料使用,具有出色的涂敷和附着性,且颜色为白,可有效调节产品的涂展性、皮肤贴付性、光泽感、皮肤质感及产品的成型性、使用性。

大名鼎鼎的SK-II“小灯泡”里便含有氮化硼(成分表来源:cosdna.com)

 

小结

如今,纳米技术的兴起也带动了纳米氮化硼的兴起。氮化硼纳米片和纳米管(BNNTs)以及氮化硼纳米带等纳米结构,因其在光电、环保及日化等领域中展现出的优势,也引起了科研人员的极大兴趣。但由于成本问题,大规模应用仍有难度,因此研发出更为经济可行的生产工艺将是氮化硼材料未来发展的主要方向之一。

 

相关阅读:

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美国研究氮化硼纳米管涂覆材料应用于飞行器

 

感谢:淄博市新阜康特种材料有限公司

粉体圈 作者:小榆

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