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      Jinggangshan Economic Development Zone, Ji' an 343000, Jiangxi, China

      球形氮化硼材料應用深度剖析

      信息來源:本站 | 發布日期: 2023-10-20 08:59:32 | 瀏覽量:153019

      摘要:

      六方氮化硼(h-BN)是由氮原子和硼原子構成的共價鍵型晶體,由于具有類似石墨的層狀結構和呈現松散、潤滑、易吸潮、質輕等特性的白色粉末狀外觀,又被稱為“白色石墨烯”。市售的六方氮化硼產品,經改性加工后,有諸多形貌:例如片狀氮化硼、氮化硼團聚體、氮化硼納米片、…

      六方氮化硼(h-BN)是由氮原子和硼原子構成的共價鍵型晶體,由于具有類似石墨的層狀結構和呈現松散、潤滑、易吸潮、質輕等特性的白色粉末狀外觀,又被稱為“白色石墨烯”。市售的六方氮化硼產品,經改性加工后,有諸多形貌:例如片狀氮化硼、氮化硼團聚體、氮化硼納米片、球形氮化硼等等。

      其中球形氮化硼是由氮化硼微米級單晶片組成的多晶球,與片、管、層狀氮化硼相比,球形氮化硼既保持了氮化硼的原有的優異性能,如離子雜質少、膨脹系數低、介電強度高等,又具有顆粒流動性好、比表面積高等優秀品質。在聚合物中的添加量高,有利于獲得更高熱導能力的復合材料。

      球形氮化硼形貌(蘇州納樸產品供圖)

      下文小編帶大家瞧瞧膩害的“球型氮化硼材料”的性能特點及重點應用領域。

      01

      復合材料“高導熱填料”

      氮化硼熱導率較高,是橡膠塑料復合材料的熱門候選導熱填料,但當前使用的氮化硼填料多為片狀,由于其形狀不規則,垂直晶面方向的熱導率遠小于平行晶面方向熱導率,導致氮化硼高度填充到聚合物中時部分片晶取向垂直于理想熱導方向,使得不能充分利用氮化硼的導熱效果。球形氮化硼與片狀材料相比,各向同性、比表面積高,可以彌補片層狀氮化硼在聚合物中取向影響導熱、填充量小的缺點,滿足高填充量、高導熱的要求,同時提高復合材料的加工性能。


      球形氮化硼填充硅樹脂中填充含量對導熱率和熱阻的影響

      (數據來自于參考文獻:Gowda A, Paisner S N, Tonapi S, et al. Spherical boron nitride fillers for high performance thermal greases[C]// Electronic Packaging Technology Conference, 2005. Eptc 2005. Proceedings of. IEEE, 2006:8 pp.)

      盡管球型氮化硼可以帶來更高的填充量,但也并非是添加量越大復合材料導熱能力就越優秀。引用相關研究成果,數據見上圖。上圖數據顯示的是球形氮化硼作為填充料,其填充量對硅樹脂導熱性和熱阻的影響。根據圖表數據,隨著氮化硼的添加,硅樹脂先達到一個導熱峰值,此時填充量最佳,隨著填充量逐漸添加,復合材料的熱阻加大,硅樹脂的導熱能力又有所下降。

      解析:這是因為,過多的粉體的加入會導致粘度增大,粉體表面潤濕性變差,沒有足夠的膠來包覆粉體,增加了填充料與聚合物的空氣界面(PS:小學生都知道空氣為熱的不良導體),導致復合材料的界面熱阻變大,從而使材料整體的導熱效果變差。

      02

      潤滑油添加劑

      目前國際上使用的潤滑油添加劑多出現潤滑壽命短、負載能力差等缺點。六方氮化硼具有優良的潤滑性質,其自潤滑尤其是高溫潤滑性能優良,添加片狀氮化硼的潤滑油已經在商業領域得到應用,如德國著名潤滑油品牌力魔生產的氮化硼陶瓷發動機保護劑。而球形氮化硼納米粒子保留了氮化硼潤滑性好的特點,同時對比其他形貌氮化硼具有更高的抗磨性,作為潤滑油添加劑預期能起到更好的減磨效果。

      03

      耐火材料涂料

      氮化硼本身在氧化氣氛中至900℃才開始氧化,真空下可安全使用到2000℃,在惰性氣體中2800℃不軟化,因此可以應用到耐火材料領域。利用粒度介于20-50微米的球形氮化硼制備氮化硼涂料,通過附著在耐火材料或者滲透于耐火材料工作層,可以提高耐火材料的使用性能。球形氮化硼因其各向同性的特點更易穩定分散于溶液中,制備的涂料穩定性強。

      04

      脫模劑

      氮化硼相比傳統的脫模劑如石墨、炭黑等,具有更好的高溫穩定性和良好的潤滑性能,以氮化硼為原料的脫模劑在高溫下仍能保持良好的潤滑性和脫模性。在商業上片層狀氮化硼已應用在脫模領域。球形氮化硼具有團塊牢固、各向同性等特點,因此應用在壓鑄、冶金、玻璃成型模具脫模劑領域可提高模具的使用效率,延長模具的使用壽命。

      球形氮化硼粉末作為固體潤滑劑應用于金屬脫模領域

      05

      吸附材料

      具有高比表面的球形氮化硼在吸附有機污染物方面也有著潛在的應用價值。通過模板控制下的水熱法合成制備形成具備有球形的基本外貌的氮化硼,之后采用煅燒法去除前驅體中的模板,再在保護氣體下,高溫裂解,再經浸泡,制得球形氮化硼。這種球形氮化硼比表面積大,高孔隙率,對有機污染物具有高吸附能力,且能重復使用,在水處理、凈化、清潔能 源領域具有廣泛的應用前景。

      球形氮化硼吸附材料對亞甲基藍的吸附特性

      (數據來源:中國發明專利)

      06

      載體材料

      氮化硼耐高溫,具有化學惰性。滿足催化劑載體材料在高溫氧化氣氛下穩定、不與催化劑發生反應的要求,更利于獲得更高的催化效率,數據如下圖所示。

      球形氮化硼負載催化劑應用于乙醇氧化的效果

      (參考文獻:Wang Y, Shi L, Lu W, et al. Spherical Boron Nitride Supported Gold–Copper Catalysts for the Low‐Temperature Selective Oxidation of Ethanol[J]. Chemcatchem, 2017, 9(8).)

      在生物醫藥領域,球形氮化硼還可以作為負載和緩釋藥物的載體:如空心球結構的氮化硼具有較大的空腔體積可用于存儲釋放基因、生物分子等。

      不同規格的球形氮化硼性能各不相同,應用領域也有所區別,受粒徑、純度、雜質等因素影響。例如:粒徑10-20微米的球形氮化硼通常用于耐火材料表面涂料,50-100微米的球形氮化硼主要應用于高溫環境下的潤滑、脫模以及絕緣、導熱材料添加,100微米以上規格則主要應用于熱壓氮化硼原料。針對各類用途,球形氮化硼也可按陶瓷級、導熱級、潤滑級等分類。對于球型氮化硼產品,其主要的指標可見下表示例,具體應用不同對產品的指標要求不同,此處不再展開說明。需要了解細節可以與廠家細細探索。

      示例:蘇州納樸材料球形氮化硼產品參數(可根據用戶的應用需求調整)

      產品規格

      h-BN含量(%)

      目數

      堆積密度(g/cm3)

      BET比表面(m2/g)

      電導率(μS/m)

      磁性雜質(ppm)

      S-BN

      >99

      1000-60

      0.3-0.4

      4-12

      ≤20

      ≤6-10

      綜上,球形氮化硼兼具了原始氮化硼及球形形貌的雙重優點,克服了片層狀的氮化硼各向異性、縱橫面熱導率差異大等缺陷,與普通氮化硼相比會有著更廣的應用領域和更好的產品性能。隨著在球形氮化硼形成機理、制備工藝等方向上的進一步研究,相信球形氮化硼會在有機/無機復合材料中扮演越來越重要的角色。

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