氮化硼纳米材料的合成与应用研究进展

郭大为

摘 要：氮化硼纳米材料具有较多的优势，如导热性、稳定性、耐热性以及介电性。氮化硼纳米材料也具有多种形态，如纳米片、纳米管以及纳米球，这些形态的纳米材料在高分子材料、日用化学品以及光电子等多个领域中有较多的应用，并且取得了较为可观的成效，其合成工艺也逐步成熟。因此，本文详细的分析了氮化硼纳米材料的合成与应用。

关键词：氮化硼；纳米材料；合成；应用

从二十世纪九十年代至今，纳米技术得到了快速的发展，并且也得到了广泛的应用，通常纳米技术都应用在环保、光电、航天以及能源等领域中，具有十分广阔的发展前景。

氮化硼具有较好的化学性能和物理性能，如导热性、稳定性、耐热性、耐磨性以及介电性等，具有较大的应用潜力。最近几年，越来越多的研究学家对氮化硼纳米材料越来越重视，并且在很多的领域中都有突破性成果。氮化硼主要有以下四种晶型：六方氮化硼、立方氮化硼、菱方氮化硼、纤锌矿氮化硼。目前我国在对氮化硼研究的时候主要是在六方氮化硼、立方氮化这两个方面，利用氮化硼的力学性和导热性，越来越多的应用在光电领域中。

1 氮化硼的合成方法

1.1 六方氮化硼

六方氮化硼的结构和石墨的结构没有太大的差别，因而六方氮化硼有“白色石墨”的称号。六方氮化硼在制备的过程中受多种因素的影响，如纯度低、条件高、成本高以及产量小等，导致其应用的范围小。所以当前急需要找一种适合的合成方法，进而达到产量大、纯度高等目标[1]。

当前合成六方氮化硼的方法有十多种，主要是用含硼化合物引入氨基并调控反应参数而制得。含硼化合物主要包括喷酸盐、硼的卤化物及其酸类、硼的氧化物等；而引入氨基主要是通过氨气、尿素以及氮气等含氨基化合物。合成六方氮化硼制备的方法有多种，如软模板法、硬模板法、水合成法、气相沉积法等，还有一些比较简单的方法，如高压合成法。在730摄氏度以下可以该方法合成六方氮化硼，先通过在400摄氏度到500摄氏度由涡旋氮化硼转化成菱方氮化硼和六方氮化硼，然后再在690摄氏度下完全转化成六方氮化硼，晶型也从无形片状转化成三角形状再转化成六边形状。另外如果从原料方面分类，可以通过氧化硼法、元素硼法、卤化硼法、电弧等离子法以及硼砂氨化法等几种合成方法。

1.2 立方氮化硼

立方氮化硼具有十分稳定的物理化学性能，当前立方氮化硼的硬度仅仅比金刚石的硬度小，因此立方氮化硼经常被当做是刀具和磨料材料。立方氮化硼主要有以下两种合成方法：①高温合成法。该方法在合成的过程中主要就是将碱和碱土金属或者是碱和碱土氮化物添加在六方氮化硼当中，然后将其作为催化剂在接近1700摄氏度、压力最低是11帕到12帕的情况下合成立方氮化硼；②化学气相沉积法。该方法主要是通过在耐热石英管中加热三氯化硼、乙硼烷以及氨气的混合气体，然后使气体在高温的情况下进行分解然后沉积成膜，而立方氮化硼是膜的主要成分。随着科学技术的发展，慢慢出现了其他新的合成方法，如苯热合成法、激光诱发还原法、水热合成法以及碳热合成法等，

1.3 其他类型的碳化硼

菱方氮化硼和纤锌矿氮化硼没有太多的报道，主要是因为纤锌矿氮化硼出现的时间不长，进而对其也没有太多的研究时间。菱方氮化硼具有较强的机械强度，可以将六方氮化硼作为原料然后利用冲击波进行合成制得，或者是将六方氮化硼作为原料然后利用爆炸法进行合成制得。由于受实验装置和条件的制约，使得这两种方法不能大量的生产菱方氮化硼，只有对工艺条件进行优化才能增加菱方氮化硼的产量。由于菱方氮化硼比较特殊，所以在对实验参数进行调控的时候可以将其转化成另外三种类型的氮化硼，并且制成的菱方氮化硼多以和六方氮化硼混合物存在。

2 氮化硼纳米材料性能应用

2.1 机械特性方面的应用

氮化硼纳米材料的机械性能十分优异，也就是其拥有磨耗低、腐蚀小、润滑性好、易加工、安全性强以及耐火等优势。因此，可以在水系或者油系中将氮化硼纳米材料的粉末仿作是润滑剂和脱模剂。如陈晓虎在氧化铝陶瓷基体中加入氮化硼纳米材料粉末，然后利用热压工艺制作出了陶瓷基摩擦材料，由于六方氮化硼和氧化铝匹配的热膨胀系数关系，六方氮化硼体现出了较好的润滑作用，并且在温度较高的情况下，氧化铝的摩擦性能也没有明显的减弱。又如Cui[2]等研究了用乙烯-醋酸乙酯和聚氨基甲酸乙酯作为热熔粘结剂，然后加入六方氮化硼，利用静电纺丝法制备成的高温表面积粘附聚合物纤维具有较好的拉伸性和抗剪强度，因此，该材料在作为基体材料上具有较强的应用价值。

立方氮化硼具有高温稳定性、硬度高等性能，因此当前该材料一般都是作为超硬磨削材料。因为单晶立方氮化硼的颗粒比较小，不能直接用其制成刀具，所以在制作刀具的时候通常都是选择聚晶立方氮化硼[3]。在高温抗摩擦材料中也经常会使用立方氮化硼，通过实验，对立方氮化硼固体涂层、无涂层、耐高温胶涂层的摩擦系数进行对比发现，立方氮化硼固体涂层具有较强的优势[4]。在温度是300摄氏度。压力是100牛的情况下，当工件没有涂高温胶在摩擦过程中，仅仅3分钟就不能继续试验，并且摩擦系数为1.4；当工件涂高温胶以后进行摩擦实验，那么可以保持14分钟，同时摩擦系数在3分钟内就达到了1.2；而工件涂了立方氮化硼，其摩擦系数一直保持在0.4左右。

2.2 电气特性方面的应用

氮化硼在低介电常数、高频率下具有低损耗、电绝缘性好以及可微波穿透等优势。同时氮化硼纳米材料在光电方面也具有明显的优势。Yang[5]等研究了用氮化硼纳米片负载银纳米例子复合材料可以使得满散射效（下转第124页）

（上接第122页）应进一步增强。氮化硼的带隙宽比5eV大，由于薄氮化硼纳米片的二维晶体结构的特定边缘结构使氮化硼有了新的性质，然后让其作为辅助性基本，最终在纳米材料的帮助下合成新的特殊的材料。又如Yang[6]等研究了氮化硼-金纳米簇复合材料，其被广泛的应用在生物传感检定中，并且有较好的前景。金纳米的细胞毒性比较低，具有光致发电稳定、电化学活性强以及表面嫁接能力好等优势，但是这种纳米材料因为颗粒小且易聚，所以選择聚二甲基二烯丙基氯化铵作为助剂，然后粘附在氮化硼上面，对荧光纳米粒子进行原位修饰，最后得到的粒子具有较好的金附着性和生物性相容性，然后固定Ab2型抗体去检测白细胞介素-6，可以将其应用在对早起肿瘤细胞的检测中。

3 结束语

氮化硼作为一种比较先进的陶瓷材料和纳米材料，其自身所具有的独特的化学性能和物力性能使其在社会各个领域中受到热烈的欢迎，并且在环保、光电等领域具有重要的作用。在合成中由于工艺的影响，导致许多方面还存在不足，因此在以后的发展中，要加大对合成工艺的研究以及对实践应用的开发。

参考文献：

[1]赵凯.六方氮化硼的制备及其生成机理研究[D].石家庄：河北科技大学，2016.

[2]Cui H W，Tang X.Using polyurethane，ethylene-vinyl acetate hotmelt，and nano hexagonal boron nitride particles to electro-spin high surface adhesion polymer fibers[J].Electron Mater lett，2014，10（1）：183-189.

[3]代英鹏，徐淑琼.刀具材料的研究现状及展望[J].科技信息，2014（9）：82-83.

[4]张舵，贾晓鸣.立方氮化硼固体涂层摩擦学性能[J]河北联合大学学报（自然科学版），2014，36（9）：28-31.

[5]Yang S，Zhang Z，Zhao J，et al，High surface enhanced Raman scattering activity of BN nanosheets-Ag nanoparticles hybrids[J].J Alloys Compd，，2014，583（15）：231-236.

[6]Yang G H，Shi J J，Wang S，et al.Fabrication of a boron nitride-gold nanocluster composite and its versatile application for im-munoassays[J].Chem Commun，2013，49（91）：10757-10759.