立方氮化硼这么多应用方向，你最看好谁？

日期：2022-12-20 浏览次数：次

立方氮(dan)化硼（Cubic Boron Nitride，简称cBN）是一种(zhong)单(dan)晶硬(ying)(ying)度(du)接近于(yu)金刚石单(dan)晶的(de)超硬(ying)(ying)材料，具(ju)有(you)(you)良好的(de)热稳定和抗(kang)氧化性能，在不(bu)超过1450℃的(de)条件下可正常使用。cBN产(chan)品主要分单(dan)晶和多晶烧结体两种(zhong)，晶型有(you)(you)截锥四面体、八(ba)面体、斜(xie)晶和孪晶等。目(mu)前商业生产(chan)的(de)cBN多呈黑色、琥珀色、镀金，颗粒一般小(xiao)于(yu)1毫米。

cBN的晶体结构图及产品图

CBN的晶体结构图及产品(pin)图（来源：左samaterials，右hyperion）

资料(liao)显示，目前cBN单晶制(zhi)(zhi)备最常用的方式(shi)是在触(chu)媒(mei)(mei)作(zuo)用下用六方氮化(hua)(hua)硼作(zuo)原(yuan)料(liao)经高温高压(ya)（3000～8000Mpa，800～1900℃）制(zhi)(zhi)备而成(cheng)，典型的触(chu)媒(mei)(mei)材料(liao)有碱金属、碱土金属、锡(xi)、铅、锑和它们的氮化(hua)(hua)物等，其他的制(zhi)(zhi)备工艺可看(kan)下表。

CBN的制(zhi)备方法简介

制(zhi)备方法	制备原理	特(te)点
静态高压触媒法	以液压装(zhuang)置产生高(gao)压、以交流或直(zhi)流电通(tong)过装(zhuang)试料(liao)的(de)石墨发热体间接(jie)加热产生高(gao)温，在触媒材料(liao)的(de)参与(yu)下合成cBN晶体的(de)方(fang)法。	有效地降低 hBN-cBN相转变压力(li)，已成为工业生产cBN的最主要的方(fang)法。但存在合成(cheng)时间长、合成(cheng)效率低、合成(cheng)成(cheng)本高等(deng)缺点。
晶种温度(du)(du)梯度(du)(du)法	是(shi)一(yi)种(zhong)通过将小颗粒cBN单晶(jing)加(jia)入触媒溶剂(ji)中作为晶(jing)种(zhong)，添加(jia)hBN原(yuan)料，溶解的(de)B-N在合成腔温(wen)度梯度的(de)作用(yong)下到达低温(wen)去的(de)小颗粒cBN单晶(jing)，从(cong)而在小颗粒单晶(jing)表面沉(chen)淀呈(cheng)现(xian)生长的(de)方法。	能(neng)够生产出(chu)毫米量级的大颗粒cBN单(dan)晶，且(qie)晶体杂质少(shao)、高质量，但是合(he)成(cheng)所需时间较长，合(he)成(cheng)成(cheng)本较高。
静态高温高压直接转变法	在高温(wen)高压条件下(xia)实(shi)现(xian) hBN 直接转变为cBN单晶的方法，转变过程中(zhong)没有触(chu)媒的参与(yu)。	设备(bei)成(cheng)本高(gao)、实验组装复杂(za)、合成(cheng)时间长，并(bing)不适用于实(shi)际(ji)工业生产(chan)中。
爆(bao)炸法	主要(yao)为利用烈性炸药爆炸时(shi)产生的高温和高压(ya)（>10 GPa，2000 K）直接(jie)(jie)作用于 hBN，从而实现 hBN 向 cBN的直接(jie)(jie)转变(bian)。	所需设备(bei)简单、合成(cheng)成(cheng)本低及生产效率高，但是存在较大的安全隐患，且得到的晶体(ti)后期提纯较为困(kun)难(nan)，不适合大(da)尺寸的制备(bei)。
气相沉积法	在高(gao)温(wen)和(he)低压的条件(jian)下(xia)，在衬底上沉积由(you)氮和(he)硼原子形成的亚稳态气体(ti)，从而(er)得(de)到(dao)cBN薄膜的一种(zhong)方法。	不(bu)需要使用复杂的高压(ya)设备，生产成本较低(di)，广泛应用(yong)于(yu)制备cBN薄膜。
水(shui)热法	在一(yi)(yi)定的温度和(he)压力(li)环境下(xia)，通过水溶(rong)液中的物质(zhi)发生化学(xue)反(fan)应，从而得(de)到cBN微晶(jing)和(he)纳(na)米(mi)晶(jing)的一(yi)(yi)种方(fang)法。	便于操作，实验(yan)成(cheng)本低，适合制备结晶(jing)度较(jiao)高、密度较(jiao)低的cBN微晶(jing)和纳(na)米晶(jing)。

作为一种不(bu)可多得的极(ji)限功能材(cai)料，cBN的应用前(qian)景良好。不(bu)过目前(qian)国内高(gao)硬度材(cai)料的研发(fa)多集中在金刚石材(cai)料及其制(zhi)品(pin)方面(mian)，尽管cBN潜力十(shi)足(zu)却名声不(bu)显。到(dao)底(di)它都可以做些什么呢？下面(mian)一起(qi)来看看。

CBN的性(xing)质及(ji)应用

CBN材料的(de)性能优势比较(jiao)突出的(de)有(you)三方(fang)面(mian)，分别是(shi)机械、光(guang)学以及电学，下面(mian)将介绍(shao)cBN在(zai)相关领域的(de)性质与应(ying)用(yong)状况(kuang)。

1、机械(xie)性能

前(qian)面已经介绍(shao)过了，cBN单(dan)晶(jing)的(de)硬度(du)为50 GPa，仅次(ci)于金(jin)刚(gang)石（60~120 GPa），弹性模量(liang)值为909 GPa。因此目前(qian)cBN单(dan)晶(jing)最广泛的(de)应用就(jiu)是利用它的(de)超(chao)高(gao)硬度(du)来制造加(jia)工其它较硬材料的(de)工具(ju)。在高(gao)速、高(gao)效、高(gao)精密加(jia)工条(tiao)件下，立(li)方(fang)氮化硼材料都可(ke)满足(zu)应用要求。

基于cBN的(de)(de)磨具中，树脂结(jie)合剂磨具在工(gong)业生产中的(de)(de)应用最为广泛。但(dan)是，由于工(gong)业合成(cheng)的(de)(de)cBN与树脂的(de)(de)粘附性较(jiao)差，使用时容易从结(jie)合剂中脱离，对工(gong)件造成(cheng)划痕，影响使用，因此还需(xu)要在cBN表(biao)面(mian)修(xiu)饰金属——其中，最有益的(de)(de)修(xiu)饰方法是表面镀覆，通(tong)过在表(biao)面包(bao)覆一层特(te)定厚度的金属层，就能提高(gao)cBN与(yu)结合剂的结合能力(li)，增强磨(mo)料把持力(li)，掩盖磨(mo)料自身缺陷，大(da)幅度延长磨(mo)粒(li)的使用(yong)(yong)寿命(ming)和cBN工(gong)具的应用(yong)(yong)性能。

PCBN 毛坯及刀具

PCBN 毛坯及刀具（来源：hyperion）

除(chu)此之外，c-BN具(ju)有(you)极好的(de)热稳定性，在(zai)大气中(zhong)直到1300℃才(cai)发生氧(yang)化，在(zai)真空中(zhong)对c-BN加热，当温度(du)高(gao)达(da)1 550℃左右(you)才(cai)会(hui)由c-BN转变为hBN，而且，cBN不(bu)易(yi)与过渡(du)金(jin)属(shu)发生化学(xue)反应，在(zai)真空或氩(ya)气气氛中(zhong)与铁钴镍的(de)反应温度(du)高(gao)达(da)1350℃，与铁镍合金(jin)的(de)反应温度(du)高(gao)达(da)1250℃。同时，较(jiao)高(gao)的(de)热导率使刀具(ju)在(zai)加工过程中(zhong)产生的(de)热可以很(hen)快(kuai)传递(di)出去(qu)，能够有(you)效保护被加工工件(jian)表面不(bu)被烧伤，提高(gao)了道具(ju)的(de)使用寿命。

不过要注意，由于cBN单晶(jing)(jing)存(cun)在晶(jing)(jing)粒(li)(li)尺寸(cun)小、各向异性(xing)、解理面(mian)易裂等(deng)缺陷，因(yin)此实(shi)际应(ying)用中多(duo)使用由许多(duo)细晶(jing)(jing)粒(li)(li)（0.1~100微米）cBN聚结而成的(de)立方氮化(hua)硼多(duo)晶(jing)(jing)（PCBN）刀具(ju)。PCBN除了具(ju)有cBN的(de)大部分特性(xing)，还克(ke)服了cBN单晶(jing)(jing)表(biao)面(mian)定向解理的(de)缺点，因(yin)此在机(ji)械加(jia)工(gong)的(de)各个(ge)方面(mian)都表(biao)现出(chu)优异的(de)切削性(xing)能(neng)。

扩展阅(yue)读：比人造(zao)金(jin)刚石(shi)还硬的立方氮化硼(peng)

2013年，燕山大学(xue)亚(ya)稳材料国(guo)家重(zhong)点实验室田永(yong)君课题组(zu)以洋葱状碳(tan)为前驱体(ti)(ti)，成功制得纳(na)米粒度(du)仅为3.8 nm的(de)(de)超硬纳(na)米孪晶的(de)(de)立(li)方(fang)(fang)氮化硼(peng)，该成果已于当年在nature上发表(biao)。经实验证明(ming)，这种(zhong)纳(na)米孪晶的(de)(de)立(li)方(fang)(fang)氮化硼(peng)在合理的(de)(de)加(jia)载(zai)力下，硬度(du)均大于100 GPa，超过了人(ren)造金刚石(shi)单晶，它的(de)(de)成功合成开辟了一(yi)个(ge)同时(shi)提(ti)高材料硬度(du)、韧性和热(re)稳定性的(de)(de)新途径。