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【原創(chuàng)】球形氮化硼的制備方法與應(yīng)用


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   輕言

[導(dǎo)讀]  球形BN有望成為下一代高性能材料的核心組分。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  球形氮化硼(BN)作為BN諸多形貌中的一種,具有熱導(dǎo)率高300W/(m·K)、硬度大(5000 kg/mm2)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與片、管、層狀BN相比,穩(wěn)定性和抗磨性好;有類(lèi)似于石墨的晶型,潤(rùn)滑效果佳;顆粒填充量大,對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提升貢獻(xiàn)顯著,應(yīng)用前景廣泛。


球形BN的形成機(jī)理


目前,針對(duì)球形BN的形成機(jī)理主要包括三套理論,分別是殘余雜質(zhì)氧理論、晶體形態(tài)變化理論和球形模板理論。


1.殘余雜質(zhì)氧理論


殘余雜質(zhì)氧理論認(rèn)為球形形貌的形成主要依賴(lài)于Me2O基團(tuán)消除時(shí)殘余雜質(zhì)氧的產(chǎn)生。BN的形成機(jī)理為:B(OMe)3+NH3→BN+3MeOH。具體的化學(xué)形成機(jī)制如下圖。


球形BN的形成機(jī)制


2.晶體形態(tài)變化理論


晶體形態(tài)變化理論認(rèn)為硼單質(zhì)(B)的含量對(duì)球形形貌是否形成起到關(guān)鍵作用。根據(jù)晶體生長(zhǎng)形態(tài)變化規(guī)律:當(dāng)晶體沿<111>方向生長(zhǎng)快于晶體沿<100>方向生長(zhǎng)時(shí),晶體的主要形態(tài)為四面體;當(dāng)晶體沿<100>方向生長(zhǎng)快于晶體沿<111>方向生長(zhǎng)時(shí),晶體的主要形態(tài)為八面體或類(lèi)球形。


3.球形模板理論


球形模板理論是指以表面活性劑或反應(yīng)體系中熔點(diǎn)較高的物質(zhì)形成的最小球體為模板,BN球面層層增加,直徑逐漸擴(kuò)大,最終形成一個(gè)BN球。


以Na2O為模板的球體形成過(guò)程


球形BN的制備方法


球形BN的制備主要在傳統(tǒng)片、層狀BN制備方法的基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)操作步驟或控制反應(yīng)條件使BN呈現(xiàn)球形,主要包括化學(xué)氣相沉積(CVD)法、溶劑熱法、氣溶膠法、熱解法以及噴霧干燥法等。


1.化學(xué)氣相沉積法(CVD)


化學(xué)氣相沉積法(CVD)是最早提出可用于制備球形BN的合成方法。研究表明單獨(dú)使用CVD法并不能得到球形形貌的BN,需要在其他合成法的輔助作用下完成,比如有氣溶膠輔助CVD法、熱解法輔助CVD合成法等等,通過(guò)控制反應(yīng)條件(主要是溫度)來(lái)形成球形BN。


2.溶劑熱法


溶劑熱法可在相對(duì)較低的溫度下制備出粒徑為納米級(jí)別的球形BN,但溶劑熱法在形貌方面的控制不理想;氮源種類(lèi)、反應(yīng)溫度、表面活性劑等均對(duì)產(chǎn)物有影響,誘導(dǎo)晶粒不利于球形形貌的形成。


3.氣溶膠法


氣溶膠法分為一步氣溶膠法和二步氣溶膠法:一步法相對(duì)于二步法沒(méi)有第二階段的氮化反應(yīng),操作簡(jiǎn)單,但產(chǎn)物氧碳雜質(zhì)含量高;二步法效率高,B的損失率低,終產(chǎn)物無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。


4.熱解法


熱解法要求原料易從固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀,熱解過(guò)程中的釋放物無(wú)毒或低毒。如高溫氣相熱解氨硼烷(BH3NH3)制備球形BN時(shí),BH3NH3催化作用下即由固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀,無(wú)毒且不含氧碳,有利于BN純度的提高。熱解法制備球形BN時(shí),原料種類(lèi)、催化劑、加熱時(shí)間都將影響球形結(jié)構(gòu)的形成。


5.噴霧干燥法


噴霧干燥法制備球形氮化硼的過(guò)程可分為3個(gè)基本步驟:漿料的制備(氮化硼穩(wěn)定分散液),噴霧干燥,真空燒結(jié)。該方法適用于制備高導(dǎo)熱特性的球形BN。


噴霧干燥制備球形氮化硼的流程示意圖


6.其他方法


除了以上幾種方法,各國(guó)研究者也通過(guò)直接反應(yīng)法、球磨法、高壓反應(yīng)法等得到了球形BN。


球形BN的應(yīng)用前景


1.高功率電子器件


球形BN具有較高的熱導(dǎo)率,可作為聚合物/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的導(dǎo)熱填料。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)高性能散熱材料的需求日益增加,球形BN熱界面材料將成為半導(dǎo)體封裝、集成電路散熱等領(lǐng)域的理想材料。


3.航空航天、汽車(chē)制造


在航空航天、汽車(chē)制造等行業(yè)中,輕量化和高強(qiáng)度是材料選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)。球形BN作為增強(qiáng)相添加到樹(shù)脂、陶瓷或金屬基體中,可以顯著提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能,同時(shí)保持較低的密度,滿(mǎn)足了這些行業(yè)對(duì)高性能復(fù)合材料的需求。


4.能源存儲(chǔ)設(shè)備


在鋰離子電池、超級(jí)電容器及其它能源存儲(chǔ)設(shè)備中,球形BN可用作導(dǎo)熱填料或隔離層,改善電池的熱管理并提高其安全性和循環(huán)壽命。


未來(lái),隨著全球電子產(chǎn)業(yè)與綠色技術(shù)的蓬勃發(fā)展,球形BN有望成為下一代高性能材料的核心組分。


參考來(lái)源:

1.王策等. 球形氮化硼的研究進(jìn)展. 中國(guó)陶瓷

2.胡清華. 高導(dǎo)熱球形氮化硼復(fù)合環(huán)氧樹(shù)脂制備方法及性能研究. 重慶大學(xué)

3.聚億信息咨詢(xún):2025年全球球形氮化硼市場(chǎng)專(zhuān)業(yè)調(diào)查研究報(bào)告


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言)

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