氮化硼
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| 氮化硼 | |
|---|---|
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| 识别 | |
| CAS号 | 10043-11-5 
|
| PubChem | 66227 |
| ChemSpider | 59612 |
| SMILES |
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| InChI |
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| InChIKey | AMPXHBZZESCUCE-UHFFFAOYSA-N |
| Gmelin | 216 |
| EINECS | 233-136-6 |
| ChEBI | 50883 |
| RTECS | ED7800000 |
| MeSH | Elbor |
| 性质 | |
| 化学式 | BN |
| 摩尔质量 | 24.818 g·mol⁻¹ |
| 外观 | 白色固体 |
| 密度 | 2.18g/cm3 |
| 熔点 | 2700 °C（升华） |
| 溶解性（水） | 不溶 |
| 结构 | |
| 晶体结构 | 六方或立方 |
| 热力学 | |
| ΔfHm⦵298K | -254.4 kJ/mol[1] |
| S⦵298K | 14.8 J/K mol[1] |
| 热容 | 19.7 J/(K·mol)[1] |
| 危险性 | |
| 警示术语 | R：R36-R37 |
| 安全术语 | S：S26-S36 |
| 相关物质 | |
| 其他阴离子 | BP、BAs B4C、B2O3 |
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |
氮化硼是一种由相同数量的氮原子（N）和硼原子（B）组成的二元化合物，其实验式是BN。氮化硼和碳是等电子的，并和碳一样，氮化硼有多种同质异形体，其中六方氮化硼（α-BN）结构则类似于石墨，是一种十分实用的润滑剂，立方氮化硼（β-BN）结构类似于钻石，硬度仅低于金刚石，但耐高温性优于金刚石。
六方氮化硼
[编辑]六方氮化硼（英语：hexagonal boron nitride）又称h-BN、α-BN或g-BN（graphitic BN），结构类似于石墨，有时也称“白石墨”，它是最普遍使用的氮化硼形态。[2]和石墨相似，六方形态是由许多片六边形组成。这些薄片层与层之间的相关结构（registry）不同，但是从石墨的排列模式中看出，这是由于硼原子在氮原子上面使氮化硼的原子变成椭圆的。如此结构反映出硼—氮链的极性。
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氮化硼中较低的共价性质，使它成为导电性相对于石墨较低的半金属，电在它六边形薄片中pi-链的网络中流通。六方氮化硼的缺乏颜色，显示较低的电子离域性，表示其能隙较大。
六方氮化硼在极低和极高（900 °C）的温度甚至是氧气下都是一种很好的润滑剂，它在石墨的导电性和与其它物质的化学反应造成困难时特别有用。由于它的润滑机理并不涉及到层面之间的水分子，氮化硼润滑剂还可以在真空下使用，如在太空作业时。
六方氮化硼在空气中高达1000 °C、真空中1400 °C和在惰性气体中2800 °C都仍然稳定，也是其中一种导热性最好的绝缘体。它对多数物质都不产生化学反应，也不被许多融化物质所沾湿（如：铝、铜、锌、铁和钢、铬、硅、硼、冰晶石、玻璃和含有卤素的盐类。[来源请求]）
细粒的h-BN被用于一些化妆品、颜料、补牙剂和铅笔芯。[来源请求]
制造
[编辑]六方氮化硼可由三氯化硼经过氮化或氨解后制作而成。六方氮化硼部件可由加热加压和其后的机械加工造出，因为它的硬度与石墨相当，所以加工成本不高。这些部件都由氮化硼粉末制造，以氧化硼作为烧结剂。氮化硼薄膜可以由三氯化硼和氮雏形化学气相沉积后形成。而工业制造是基于两个化学反应：熔化的硼酸与氨、硼酸或碱性硼化物与尿素、胍、蜜胺或其他适当的氮气中的有机氮化合物。制作超细氮化硼润滑剂和toner则需要在氮气中以5500°C高温燃烧硼粉末。
B2O3 + 2 NH3 → 2 BN + 3 H2O (800 - 1200°C)
B2O3 + 3 C + N2 → 2 BN + 3 CO (1800 - 1900°C)
氮化硼纤维
[编辑]六方氮化硼可以制成纤维的形态，由于和碳纤维结构相似，氮化硼纤维也被称为“白碳纤维”。它可以由射出成形的环硼氮烷纤维加上氮中的氧化硼于1800 °C下的热分解制成。这种物质也可经过纤维素纤维浸泡于超过1000 °C 的氨气和氮气中的硼酸或四硼化氨之后产生的热分解制成。氮化硼纤维也可作为复合材料的补强，基质材料包括有机树脂、陶瓷与金属。
w-氮化硼
[编辑]w-氮化硼是六方氮化硼是发生在高压环境下的一种超硬状态。这种六方形态呈纤维锌矿结构，与石墨的层状结构不同。
立方氮化硼
[编辑]立方氮化硼也叫c-BN、β-BN或z-BN[注 1]，结构类似于钻石，极其坚硬，显微硬度HV72000～98000Mpa，硬度仅低于钻石。和钻石相似，立方氮化硼是一种绝缘体但却是一种极佳的导热体。是被广泛使用的工业钻磨工具。
立方氮化硼在1150°C以下不和铁系金属反应，而钻石在温度达到700°C时开始溶解于铁，造成刃具迅速磨损。所以CBN适合加工钢铁材料，特别适用于加工各种淬硬刚、冷硬钢等难加工材料[3]。多晶体c-BN钻磨工具多用于机械钢铁，同时钻石钻磨工具多用于铝合金、陶器和玻璃。如钻石一样，立方氮化硼由于声子有著高传热性。在高温中与氧接触，氮化硼会形成一个氧化硼的钝化层。氮化硼可以和金属很好地结合，这是因为硼或氮合金交错层的形成。
立方体氮化硼晶体材料常被用在切割工具的切割头。用于磨料时，一般使用合成树脂、多孔性陶瓷等做粘合剂。商业产品名称包括“Borazon”（Diamond Innovations）和“Elbor”或“Cubonite”（by Russian vendors）。
烧结的立方氮化硼是一种不导电的散热片材料，故在微电子学领域中有潜在应用价值。
制造
[编辑]立方氮化硼的制作可由在高温、高压下处理六方氮化硼而成，就如从石墨制成人造钻石相似。使六方氮化硼直接转为立方氮化硼需要在18百万帕的压力和1730-3230 °C的温度下。加入小量的氧化硼可以把所需的压力降到4至7百万帕，温度降到1500 °C。
α-BN + 1500-2200°C + 50-90kbar + kat. Li3N → β-BN
在工业里，人们会使用催化法转化氮化硼，而不同的催化剂物质会用在不同的生产方法上，例如锂、铂或镁、他们的氮化物，氟氮化物、水再加上氨化合物或肼。其他工业合成法会使用温差下结起的晶体或者爆炸产生的冲击波。冲击波的应用是用来制作出一种称为异钻石的超硬的硼、碳和氮的化合物。
低压下，可采用立方氮化硼薄膜的沉积技术。在化学气相沉积中，可使用三氟化硼来选择性蚀刻沉积的六方氮化硼（与沉积钻石薄膜类似，使用氢原子来蚀刻石墨）。其他物理气相沉积方法，如离子束沉积、电浆改善化学气相沉积、脉冲雷射沉积、反应性喷溅法等亦有所使用。
三方氮化硼
[编辑]三方氮化硼相似于六方氮化硼。它会在立方氮化硼转化为六方氮化硼的过程中产生。
参见
[编辑]注释
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ 1.0 1.1 1.2 Haynes, William M. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data 92nd. Boca Raton, FL.: CRC Press. 2011: 5.6. ISBN 978-1-4398-5511-9. OCLC 730008390 （英语）.
- ^ Jochen Greim, Karl A. Schwetz “Boron Carbide, Boron Nitride, and Metal Borides” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH: Weinheim: 2005. DOI: 10.1002/14356007.a04_295.pub2
- ^ 杨杭生; 聂安民. 立方氮化硼薄膜的最新研究进展. 物理学报. 2009-02, 58 (2): 1364–1368 [2023-11-18]. （原始内容存档于2023-11-18）.
外部链接
[编辑]- National Pollutant Inventory: Boron and Compounds
- Fiz Chemie Berlin[永久失效链接] thermophysical database
- Materials Safety Data Sheet （页面存档备份，存于互联网档案馆） at University of Oxford
