氮化硼：世界上硬度第二高的物质

2022年9月28日上午9:10 • 科技 • 阅读 4384

氮化硼是一种耐化学性非常高的耐火材料。它不溶于HCl、HNO₃、H₂SO₄等酸，但溶于LiOH、KOH、NaOH等熔融液体。因此，上述化合物一般用于蚀刻氮化硼(BN)。氮化硼以多种晶型存在，其中最常见的是立方和六方晶型。六边形具有类似于石墨的特性，而立方形具有类似于金刚石（钻石）的特性。正是因为这样的结构使得立方氮化硼成为世界上硬度第二高的物质，仅次于金刚石。

而且相比较金刚石来说，氮化硼虽然没有那么硬，但是在热稳定性和化学稳定性上性能更强，也更容易制作出来。在高温条件下，氮化硼也不溶于金属，这使得其成为一种非常有用的耐磨和抗氧化金属涂层，氮化硼陶瓷用于高温设备和金属铸造。氮化硼在纳米技术中具有潜在用途。。

氮化硼的四种原子排列方式

氮化硼以多种形式存在，硼和氮原子的排列方式不同，从而导致材料的体积特性不同。

无定形形式(a-BN)

氮化硼（a-BN）的无定形形式是非晶态的，其原子排列缺乏任何长距离规律性。它类似于无定形碳。

所有其他形式的氮化硼都是结晶的。

六方晶型(h-BN)

氮化硼最稳定的结晶形式是六方晶型，也称为h-BN、α-BN、g-BN和石墨氮化硼。六方氮化硼具有类似于石墨的层状结构。在每一层内，硼和氮原子通过强共价键结合，而各层通过弱范德华力结合在一起。因此，h-BN和石墨是非常接近的邻居，该材料可以容纳碳作为取代基元素形成BNCs。已经合成了BC6N杂化物，其中碳取代了一些B和N原子。

立方形式(c-BN)

立方氮化硼具有类似于金刚石的晶体结构，也是世界上硬度第二高的物质，如果将金刚石的努氏硬度当做100的话，那么立方氮化硼的努氏硬度将会达到45。

与金刚石不如石墨稳定相类似，立方氮化硼不如六方氮化硼稳定，但两者之间的转化率在室温下可以忽略不计，就像金刚石一样。立方晶型具有闪锌矿晶体结构，与金刚石相同（具有有序的B和N原子），也称为β-BN或c-BN。

立方氮化硼在自然界中也有存在，2009年在我国西藏自治区就发现了自然存在的立方氮化硼，被命名为青松石，该物质存在于富铬岩石中分散的微米级包裹体中。2013年，国际矿物学协会确认了矿物和名称。

纤锌矿形式(w-BN)

纤锌矿形式的氮化硼与罕见的六方碳多晶型物六方碳具有相同的结构。与立方形式一样，硼和氮原子被组合成四面体。在纤锌矿形式中，硼和氮原子组成6元环。早期的报告预测纤锌矿形式非常坚固，并且通过模拟估计其强度可能比钻石强18%。由于自然界中仅存在少量矿物，因此尚未经过实验验证。最近的研究测量了46GPa的w-BN硬度，比商业硼化物略硬，但比立方氮化硼软。

氮化硼的物理和化学属性

不同形态的氮化硼具有不同的物理和化学特性：

参数	a-BN	h-BN	c-BN	w-BN	石墨	金刚石
密度（g/cm^3）	2.28	2.1	3.45	3.49	2.1	3.515
努氏硬度(GPa)	10		45	34		100
体积模量(GPa)	100	36.5	400	400	34	440
导热系数（W/m·K）	3	600	740		200–2000	600–2000
热膨胀（10^-6/K）		−2.7~38	1.2	2.7	−1.5~25	0.8
带隙(eV)	5.05	5.2	6.4	4.5–5.5	0	5.5
折射率	1.7	1.8	2.1	2.05		2.4