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立方氮化硼這么多應(yīng)用方向，你最看好誰？

日期：2022-12-20 瀏覽次數(shù)：次

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡稱cBN）是一種單晶硬度接近于金剛石單晶的超硬材料，具有良好的熱穩(wěn)定和抗氧化性能，在不超過1450℃的條件下可正常使用。cBN產(chǎn)品主要分單晶和多晶燒結(jié)體兩種，晶型有截錐四面體、八面體、斜晶和孿晶等。目前商業(yè)生產(chǎn)的cBN多呈黑色、琥珀色、鍍金，顆粒一般小于1毫米。

cBN的晶體結(jié)構(gòu)圖及產(chǎn)品圖

CBN的晶體結(jié)構(gòu)圖及產(chǎn)品圖（來源：左samaterials，右hyperion）

資料顯示，目前cBN單晶制備最常用的方式是在觸媒作用下用六方氮化硼作原料經(jīng)高溫高壓（3000～8000Mpa，800～1900℃）制備而成，典型的觸媒材料有堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物等，其他的制備工藝可看下表。

CBN的制備方法簡介

制備方法	制備原理	特點(diǎn)
靜態(tài)高壓觸媒法	以液壓裝置產(chǎn)生高壓、以交流或直流電通過裝試料的石墨發(fā)熱體間接加熱產(chǎn)生高溫，在觸媒材料的參與下合成cBN晶體的方法。	有效地降低 hBN-cBN相轉(zhuǎn)變壓力，已成為工業(yè)生產(chǎn)cBN的最主要的方法。但存在合成時(shí)間長、合成效率低、合成成本高等缺點(diǎn)。
晶種溫度梯度法	是一種通過將小顆粒cBN單晶加入觸媒溶劑中作為晶種，添加hBN原料，溶解的B-N在合成腔溫度梯度的作用下到達(dá)低溫去的小顆粒cBN單晶，從而在小顆粒單晶表面沉淀呈現(xiàn)生長的方法。	能夠生產(chǎn)出毫米量級的大顆粒cBN單晶，且晶體雜質(zhì)少、高質(zhì)量，但是合成所需時(shí)間較長，合成成本較高。
靜態(tài)高溫高壓直接轉(zhuǎn)變法	在高溫高壓條件下實(shí)現(xiàn) hBN 直接轉(zhuǎn)變?yōu)閏BN單晶的方法，轉(zhuǎn)變過程中沒有觸媒的參與。	設(shè)備成本高、實(shí)驗(yàn)組裝復(fù)雜、合成時(shí)間長，并不適用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。
爆炸法	主要為利用烈性炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫和高壓（>10 GPa，2000 K）直接作用于 hBN，從而實(shí)現(xiàn) hBN 向 cBN的直接轉(zhuǎn)變。	所需設(shè)備簡單、合成成本低及生產(chǎn)效率高，但是存在較大的安全隱患，且得到的晶體后期提純較為困難，不適合大尺寸的制備。
氣相沉積法	在高溫和低壓的條件下，在襯底上沉積由氮和硼原子形成的亞穩(wěn)態(tài)氣體，從而得到cBN薄膜的一種方法。	不需要使用復(fù)雜的高壓設(shè)備，生產(chǎn)成本較低，廣泛應(yīng)用于制備cBN薄膜。
水熱法	在一定的溫度和壓力環(huán)境下，通過水溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而得到cBN微晶和納米晶的一種方法。	便于操作，實(shí)驗(yàn)成本低，適合制備結(jié)晶度較高、密度較低的cBN微晶和納米晶。

作為一種不可多得的極限功能材料，cBN的應(yīng)用前景良好。不過目前國內(nèi)高硬度材料的研發(fā)多集中在金剛石材料及其制品方面，盡管cBN潛力十足卻名聲不顯。到底它都可以做些什么呢？下面一起來看看。

CBN的性質(zhì)及應(yīng)用

CBN材料的性能優(yōu)勢比較突出的有三方面，分別是機(jī)械、光學(xué)以及電學(xué)，下面將介紹cBN在相關(guān)領(lǐng)域的性質(zhì)與應(yīng)用狀況。

1、機(jī)械性能

前面已經(jīng)介紹過了，cBN單晶的硬度為50 GPa，僅次于金剛石（60~120 GPa），彈性模量值為909 GPa。因此目前cBN單晶最廣泛的應(yīng)用就是利用它的超高硬度來制造加工其它較硬材料的工具。在高速、高效、高精密加工條件下，立方氮化硼材料都可滿足應(yīng)用要求。

基于cBN的磨具中，樹脂結(jié)合劑磨具在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用最為廣泛。但是，由于工業(yè)合成的cBN與樹脂的粘附性較差，使用時(shí)容易從結(jié)合劑中脫離，對工件造成劃痕，影響使用，因此還需要在cBN表面修飾金屬——其中，最有益的修飾方法是表面鍍覆，通過在表面包覆一層特定厚度的金屬層，就能提高cBN與結(jié)合劑的結(jié)合能力，增強(qiáng)磨料把持力，掩蓋磨料自身缺陷，大幅度延長磨粒的使用壽命和cBN工具的應(yīng)用性能。

PCBN 毛坯及刀具

PCBN 毛坯及刀具（來源：hyperion）

除此之外，c-BN具有極好的熱穩(wěn)定性，在大氣中直到1300℃才發(fā)生氧化，在真空中對c-BN加熱，當(dāng)溫度高達(dá)1 550℃左右才會由c-BN轉(zhuǎn)變?yōu)閔BN，而且，cBN不易與過渡金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在真空或氬氣氣氛中與鐵鈷鎳的反應(yīng)溫度高達(dá)1350℃，與鐵鎳合金的反應(yīng)溫度高達(dá)1250℃。同時(shí)，較高的熱導(dǎo)率使刀具在加工過程中產(chǎn)生的熱可以很快傳遞出去，能夠有效保護(hù)被加工工件表面不被燒傷，提高了道具的使用壽命。

不過要注意，由于cBN單晶存在晶粒尺寸小、各向異性、解理面易裂等缺陷，因此實(shí)際應(yīng)用中多使用由許多細(xì)晶粒（0.1~100微米）cBN聚結(jié)而成的立方氮化硼多晶（PCBN）刀具。PCBN除了具有cBN的大部分特性，還克服了cBN單晶表面定向解理的缺點(diǎn)，因此在機(jī)械加工的各個(gè)方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。

擴(kuò)展閱讀：比人造金剛石還硬的立方氮化硼

2013年，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君課題組以洋蔥狀碳為前驅(qū)體，成功制得納米粒度僅為3.8 nm的超硬納米孿晶的立方氮化硼，該成果已于當(dāng)年在nature上發(fā)表。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這種納米孿晶的立方氮化硼在合理的加載力下，硬度均大于100 GPa，超過了人造金剛石單晶，它的成功合成開辟了一個(gè)同時(shí)提高材料硬度、韌性和熱穩(wěn)定性的新途徑。

立方氮化硼這么多應(yīng)用方向，你最看好誰？

直徑2毫米的納米孿晶立方氮化硼材料

2、光學(xué)性能

早期由于受尺寸限制，cBN的光學(xué)性質(zhì)未得到充分研究，隨著cBN尺寸的逐漸增大及薄膜材料的出現(xiàn)，有研究者對本征cBN的光學(xué)帶隙進(jìn)行了探索，其光學(xué)帶隙大小的準(zhǔn)確測定對開發(fā)cBN成為紫外光電子材料至關(guān)重要。

Chen等通過紫外可見吸收光譜研究得到，隨著立方相含量的增加，吸收能量更高，光學(xué)帶隙增大，立方相含量高于88%的cBN薄膜光學(xué)帶隙超過6.0 eV。此外，C-BN在整個(gè)可見光譜范圍以及紅外與紫外光譜的很大范圍內(nèi)都透明，因而可以作為涂層應(yīng)用在精密的光學(xué)儀器窗口作為保護(hù)層。

此外，研究發(fā)現(xiàn)cBN單晶還具有電致發(fā)光和光致發(fā)光特性，是優(yōu)異的發(fā)光材料，其本征材料光致發(fā)光主要在紫外波段，其電致發(fā)光現(xiàn)象主要集中在紫外光和藍(lán)紫光范圍內(nèi)。因而可以據(jù)此研發(fā)出高性能二極管發(fā)光器件、激發(fā)器，而滿足特定領(lǐng)域的發(fā)光材料應(yīng)用要求。劉海波利用帶隙發(fā)光理論進(jìn)行研究，建立起這種材料的光致發(fā)光理論模型。

3、電學(xué)性能

CBN作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，帶隙高達(dá)6.4 eV，所以本征的cBN是絕緣的，電阻率大約在1010Ω·cm。研究表明本征或非故意摻雜的cBN表現(xiàn)出p型或n型導(dǎo)電，可能與各種缺陷、紊亂以及生長過程中的非故意摻雜有關(guān)。

CBN單晶電學(xué)性能優(yōu)異，具有目前己知的最大禁帶寬度，因此在制備高可靠性半導(dǎo)體材料方面具有明顯優(yōu)勢，在實(shí)際的加工過程中摻雜Be可制成p型半導(dǎo)體或添加S、C、Si等得到n型半導(dǎo)體而滿足相關(guān)應(yīng)用要求。在此基礎(chǔ)上制備出的電路性能顯著提高，且可長時(shí)間可靠的使用。如Mishima等人就在高溫高壓下用cBN制成p-n結(jié)，該p-n結(jié)可以在650℃的高溫條件下工作，為c-BN在高溫電子器件和高溫短波長光電子器件方面的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

研究人員Siddha Pimputkar就曾說過，“cBN有潛力在更極端的條件下工作，并且可以耐受更高的電壓和電流。電壓越高，輸出相同功率所需的電流就越小。就像輸電線路一樣，我們希望在盡可能高的電壓下運(yùn)行，以減少通過系統(tǒng)的電流量，從而減少由于系統(tǒng)效率低下而產(chǎn)生的能耗。這反過來又允許人們消除或重新設(shè)想電路的整個(gè)組成部分，從而減少這些電力轉(zhuǎn)換器的尺寸，從而降低其成本?！?/span>

大尺寸立方氮化硼單晶

大尺寸立方氮化硼單晶的制備是一項(xiàng)挑戰(zhàn)

但是cBN在該領(lǐng)域也面臨困境，因?yàn)樗拇蟪叽鐔尉е苽潆y度很高。大尺寸意味著芯片成本的下降，但cBN單晶的生長時(shí)間極其緩慢，比如典型塊狀氮化物晶體的生長速率為每天0.1-1毫米，這就是當(dāng)前的工業(yè)化的困境。

4、熱學(xué)性能

CBN單晶導(dǎo)熱率很高，散熱性能良好，可很好的滿足與散熱相關(guān)的應(yīng)用需求。由于粗顆粒CBN單晶制備困難，散熱片多使用多晶CBN，但多晶CBN受純度和晶界的影響，導(dǎo)熱率相對要低，這對其應(yīng)用性能也產(chǎn)生很明顯的制約，因而很有必要合成出優(yōu)質(zhì)的粗顆粒CBN單晶用于散熱片的制作，這也是其未來的主要的應(yīng)用方向之一。

CBN的發(fā)展方向

雖然CBN單晶的應(yīng)用范圍正持續(xù)擴(kuò)大，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中仍主要是基于其硬度高的特點(diǎn)而作為車刀和磨具使用。不過要想擴(kuò)寬應(yīng)用領(lǐng)域（如發(fā)光器件、半導(dǎo)體、散熱片等）也不容易，都需要用到優(yōu)質(zhì)的尺寸較大的CBN單晶，而目前優(yōu)質(zhì)粗顆粒CBN單晶由于生產(chǎn)工藝研究的不透徹及合成機(jī)理的不明確，制備仍然困難且產(chǎn)能較低，嚴(yán)重制約了CBN在上述領(lǐng)域的應(yīng)用。

CBN單晶