氮化硼的神奇之旅：從白石墨到鉆石挑戰(zhàn)者

氮化硼，這種由氮原子和硼原子以1:1比例組成的化合物，其化學(xué)式為BN。它和碳是電子等價物，也因此擁有多種同質(zhì)異形體。氮化硼的兩大明星形態(tài)分別是六方氮化硼（α-BN）和立方氮化硼（β-BN）。前者結(jié)構(gòu)類似于石墨，是絕佳的潤滑劑，而后者結(jié)構(gòu)與鉆石相似，硬度僅次于金剛石，但其耐高溫性能卻優(yōu)于鉆石。

六方氮化硼：白石墨的魅力

六方氮化硼（hexagonal boron nitride，簡稱h-BN或α-BN），因其結(jié)構(gòu)類似石墨，又被稱為“白石墨”。它由許多六邊形薄片層疊組成，這些薄片之間的關(guān)系并不規(guī)則。由于硼原子在氮原子上，使得這些原子排列成橢圓形，這樣的結(jié)構(gòu)反映了硼-氮鏈的極性。h-BN在各類氮化硼形態(tài)中應(yīng)用最廣泛。

h-BN的奇妙之處在于其低共價性質(zhì)，使其成為一種導(dǎo)電性較低的半金屬。在極低或極高溫度下（甚至高達(dá)900°C），它仍是出色的潤滑劑，特別是在石墨的導(dǎo)電性或化學(xué)反應(yīng)造成問題時。因其潤滑機(jī)制不涉及層間水分子，h-BN在真空環(huán)境下，如太空作業(yè)中也同樣出色。

此外，h-BN在空氣中高達(dá)1000°C、真空中1400°C及惰性氣體中2800°C都能保持穩(wěn)定，是導(dǎo)熱性絕佳的絕緣體。它幾乎不與大多數(shù)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不會被鋁、銅、鐵等多種熔融金屬潤濕。其細(xì)顆粒被用于化妝品、顏料、補(bǔ)牙劑和鉛筆芯。

六方氮化硼的制造

h-BN可以通過三氯化硼與氮化或氨解反應(yīng)制成。其制品通過加熱加壓以及機(jī)械加工而成，因硬度與石墨相當(dāng)，加工成本較低。氮化硼薄膜可由三氯化硼和氮的化學(xué)氣相沉積形成。工業(yè)生產(chǎn)主要基于兩個化學(xué)反應(yīng)：熔化的硼酸與氨，或硼酸或堿性硼化物與尿素等有機(jī)氮化合物反應(yīng)。生產(chǎn)超細(xì)氮化硼潤滑劑和碳粉需要在氮?dú)庵幸?500°C高溫燃燒硼粉末。

氮化硼纖維：白碳纖維的誕生

六方氮化硼可以制成纖維，因其結(jié)構(gòu)與碳纖維相似，又稱“白碳纖維”。這種纖維通過環(huán)硼氮烷纖維在1800°C下熱分解制成。氮化硼纖維可用于增強(qiáng)復(fù)合材料，基質(zhì)材料包括有機(jī)樹脂、陶瓷與金屬。

w-氮化硼：高壓下的超硬形態(tài)

w-氮化硼是六方氮化硼在高壓下形成的一種超硬形態(tài)，結(jié)構(gòu)類似纖維鋅礦，與石墨的層狀結(jié)構(gòu)不同。

立方氮化硼：鉆石的硬度挑戰(zhàn)者

立方氮化硼（cubic boron nitride，簡稱c-BN或β-BN），其結(jié)構(gòu)與鉆石相似，顯微硬度僅次于鉆石。它是一種絕佳的導(dǎo)熱體，同時也是出色的絕緣體，廣泛用于工業(yè)鉆磨工具。

c-BN在1150°C以下不與鐵系金屬反應(yīng)，而鉆石在700°C時就會溶解于鐵中，導(dǎo)致刃具迅速磨損。因此，c-BN特別適合加工鋼鐵材料，尤其是淬硬鋼、冷硬鋼等難加工材料。多晶體c-BN鉆磨工具常用于機(jī)械鋼鐵加工，而鉆石工具則多用于鋁合金、陶瓷和玻璃。

立方氮化硼的制造

c-BN的制備類似于人造鉆石，通過在高溫高壓下處理六方氮化硼而成。直接轉(zhuǎn)換需要1800萬帕的壓力和1730-3230°C的溫度，添加少量氧化硼可將壓力降至400-700萬帕，溫度降至1500°C。工業(yè)上使用催化法轉(zhuǎn)化氮化硼，不同的催化劑如鋰、鉑或鎂等會用在不同生產(chǎn)方法中。

c-BN薄膜可通過低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)制得，使用三氟化硼選擇性蝕刻沉積的六方氮化硼。其他物理氣相沉積方法如離子束沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等也有所使用。

三方氮化硼：α-BN的“親戚”

三方氮化硼與六方氮化硼相似，通常在立方氮化硼轉(zhuǎn)化為六方氮化硼過程中產(chǎn)生。

氮化硼，雖然是一種不起眼的化合物，但其多樣的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用讓它在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。無論是作為潤滑劑還是工業(yè)鉆磨工具，它都展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。