球形氮化硼材料應(yīng)用深度剖析

六方氮化硼（h-BN）是由氮原子和硼原子構(gòu)成的共價(jià)鍵型晶體，由于具有類(lèi)似石墨的層狀結(jié)構(gòu)和呈現(xiàn)松散、潤(rùn)滑、易吸潮、質(zhì)輕等特性的白色粉末狀外觀(guān)，又被稱(chēng)為“白色石墨烯”。市售的六方氮化硼產(chǎn)品，經(jīng)改性加工后，有諸多形貌：例如片狀氮化硼、氮化硼團(tuán)聚體、氮化硼納米片、球形氮化硼等等。

其中“球形氮化硼”是由氮化硼微米級(jí)單晶片組成的多晶球，與片、管、層狀氮化硼相比，球形氮化硼既保持了氮化硼的原有的優(yōu)異性能，如離子雜質(zhì)少、膨脹系數(shù)低、介電強(qiáng)度高等，又具有顆粒流動(dòng)性好、比表面積高等優(yōu)秀品質(zhì)。在聚合物中的添加量高，有利于獲得更高熱導(dǎo)能力的復(fù)合材料。

球形氮化硼形貌（蘇州納樸產(chǎn)品供圖）

下文小編帶大家瞧瞧膩害的“球型氮化硼材料”的性能特點(diǎn)及重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。

氮化硼熱導(dǎo)率較高，是橡膠塑料復(fù)合材料的熱門(mén)候選導(dǎo)熱填料，但當(dāng)前使用的氮化硼填料多為片狀，由于其形狀不規(guī)則，垂直晶面方向的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于平行晶面方向熱導(dǎo)率，導(dǎo)致氮化硼高度填充到聚合物中時(shí)部分片晶取向垂直于理想熱導(dǎo)方向，使得不能充分利用氮化硼的導(dǎo)熱效果。球形氮化硼與片狀材料相比，各向同性、比表面積高，可以彌補(bǔ)片層狀氮化硼在聚合物中取向影響導(dǎo)熱、填充量小的缺點(diǎn)，滿(mǎn)足高填充量、高導(dǎo)熱的要求，同時(shí)提高復(fù)合材料的加工性能。

球形氮化硼填充硅樹(shù)脂中填充含量對(duì)導(dǎo)熱率和熱阻的影響

（數(shù)據(jù)來(lái)自于參考文獻(xiàn)：Gowda A, Paisner S N, Tonapi S, et al. Spherical boron nitride fillers for high performance thermal greases[C]// Electronic Packaging Technology Conference, 2005. Eptc 2005. Proceedings of. IEEE, 2006:8 pp.）

盡管球型氮化硼可以帶來(lái)更高的填充量，但也并非是添加量越大復(fù)合材料導(dǎo)熱能力就越優(yōu)秀。引用相關(guān)研究成果，數(shù)據(jù)見(jiàn)上圖。上圖數(shù)據(jù)顯示的是球形氮化硼作為填充料，其填充量對(duì)硅樹(shù)脂導(dǎo)熱性和熱阻的影響。根據(jù)圖表數(shù)據(jù)，隨著氮化硼的添加，硅樹(shù)脂先達(dá)到一個(gè)導(dǎo)熱峰值，此時(shí)填充量最佳，隨著填充量逐漸添加，復(fù)合材料的熱阻加大，硅樹(shù)脂的導(dǎo)熱能力又有所下降。

解析：這是因?yàn)?，過(guò)多的粉體的加入會(huì)導(dǎo)致粘度增大，粉體表面潤(rùn)濕性變差，沒(méi)有足夠的膠來(lái)包覆粉體，增加了填充料與聚合物的空氣界面（PS：小學(xué)生都知道空氣為熱的不良導(dǎo)體），導(dǎo)致復(fù)合材料的界面熱阻變大，從而使材料整體的導(dǎo)熱效果變差。

目前國(guó)際上使用的潤(rùn)滑油添加劑多出現(xiàn)潤(rùn)滑壽命短、負(fù)載能力差等缺點(diǎn)。六方氮化硼具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性質(zhì)，其自潤(rùn)滑尤其是高溫潤(rùn)滑性能優(yōu)良，添加片狀氮化硼的潤(rùn)滑油已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如德國(guó)著名潤(rùn)滑油品牌力魔生產(chǎn)的氮化硼陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)劑。而球形氮化硼納米粒子保留了氮化硼潤(rùn)滑性好的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)比其他形貌氮化硼具有更高的抗磨性，作為潤(rùn)滑油添加劑預(yù)期能起到更好的減磨效果。

氮化硼本身在氧化氣氛中至900℃才開(kāi)始氧化，真空下可安全使用到2000℃，在惰性氣體中2800℃不軟化，因此可以應(yīng)用到耐火材料領(lǐng)域。利用粒度介于20-50微米的球形氮化硼制備氮化硼涂料，通過(guò)附著在耐火材料或者滲透于耐火材料工作層，可以提高耐火材料的使用性能。球形氮化硼因其各向同性的特點(diǎn)更易穩(wěn)定分散于溶液中，制備的涂料穩(wěn)定性強(qiáng)。

氮化硼相比傳統(tǒng)的脫模劑如石墨、炭黑等，具有更好的高溫穩(wěn)定性和良好的潤(rùn)滑性能，以氮化硼為原料的脫模劑在高溫下仍能保持良好的潤(rùn)滑性和脫模性。在商業(yè)上片層狀氮化硼已應(yīng)用在脫模領(lǐng)域。球形氮化硼具有團(tuán)塊牢固、各向同性等特點(diǎn)，因此應(yīng)用在壓鑄、冶金、玻璃成型模具脫模劑領(lǐng)域可提高模具的使用效率，延長(zhǎng)模具的使用壽命。

球形氮化硼粉末作為固體潤(rùn)滑劑應(yīng)用于金屬脫模領(lǐng)域

具有高比表面的球形氮化硼在吸附有機(jī)污染物方面也有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)模板控制下的水熱法合成制備形成具備有球形的基本外貌的氮化硼，之后采用煅燒法去除前驅(qū)體中的模板，再在保護(hù)氣體下，高溫裂解，再經(jīng)浸泡，制得球形氮化硼。這種球形氮化硼比表面積大，高孔隙率，對(duì)有機(jī)污染物具有高吸附能力，且能重復(fù)使用，在水處理、凈化、清潔能 源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

球形氮化硼吸附材料對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附特性

（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利）

氮化硼耐高溫，具有化學(xué)惰性。滿(mǎn)足催化劑載體材料在高溫氧化氣氛下穩(wěn)定、不與催化劑發(fā)生反應(yīng)的要求，更利于獲得更高的催化效率，數(shù)據(jù)如下圖所示。

球形氮化硼負(fù)載催化劑應(yīng)用于乙醇氧化的效果

（參考文獻(xiàn)：Wang Y, Shi L, Lu W, et al. Spherical Boron Nitride Supported Gold–Copper Catalysts for the Low‐Temperature Selective Oxidation of Ethanol[J]. Chemcatchem, 2017, 9（8）.）

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，球形氮化硼還可以作為負(fù)載和緩釋藥物的載體：如空心球結(jié)構(gòu)的氮化硼具有較大的空腔體積可用于存儲(chǔ)釋放基因、生物分子等。

不同規(guī)格的球形氮化硼性能各不相同，應(yīng)用領(lǐng)域也有所區(qū)別，受粒徑、純度、雜質(zhì)等因素影響。例如：粒徑10-20微米的球形氮化硼通常用于耐火材料表面涂料，50-100微米的球形氮化硼主要應(yīng)用于高溫環(huán)境下的潤(rùn)滑、脫模以及絕緣、導(dǎo)熱材料添加，100微米以上規(guī)格則主要應(yīng)用于熱壓氮化硼原料。針對(duì)各類(lèi)用途，球形氮化硼也可按陶瓷級(jí)、導(dǎo)熱級(jí)、潤(rùn)滑級(jí)等分類(lèi)。對(duì)于球型氮化硼產(chǎn)品，其主要的指標(biāo)可見(jiàn)下表示例，具體應(yīng)用不同對(duì)產(chǎn)品的指標(biāo)要求不同，此處不再展開(kāi)說(shuō)明。需要了解細(xì)節(jié)可以與廠(chǎng)家細(xì)細(xì)探索。

示例：蘇州納樸材料球形氮化硼產(chǎn)品參數(shù)（可根據(jù)用戶(hù)的應(yīng)用需求調(diào)整）

綜上，球形氮化硼兼具了原始氮化硼及球形形貌的雙重優(yōu)點(diǎn)，克服了片層狀的氮化硼各向異性、縱橫面熱導(dǎo)率差異大等缺陷，與普通氮化硼相比會(huì)有著更廣的應(yīng)用領(lǐng)域和更好的產(chǎn)品性能。隨著在球形氮化硼形成機(jī)理、制備工藝等方向上的進(jìn)一步研究，相信球形氮化硼會(huì)在有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料中扮演越來(lái)越重要的角色。