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BN材料與用途應用

隨著納米技術和材料科學的發展,氮化硼的應用領域將進一步拓展

氮化硼棒
氮化硼棒

 


氮化硼 (Boron Nitride, BN),作為一種由週期表中相鄰的硼 (B) 與氮 (N) 元素構成的化合物,因其與碳 (C) 的等電子結構 (B=N isoelectronic with C=C) 而展現出引人入勝的多樣同素異形體 (allotropes) 與獨特性質。其結構多樣性賦予了 BN 材料在眾多高階應用領域的潛力,主要體現在其六方 (hexagonal, h-BN) 與立方 (cubic, c-BN) 兩種結晶形態上,另有次穩的纖鋅礦 (wurtzite, w-BN) 結構。

六方氮化硼 (h-BN),結構上類似於石墨,具備 sp2 混成的二維層狀結構,層內 B-N 共價鍵極強,層間則由弱凡得瓦力束縛。此結構導致其性質呈現顯著的異向性。h-BN 最突出的特性包括:優異的高溫穩定性(熔點近 3000∘C,且抗氧化能力強)、極高的電阻率(寬能隙 ≈5−6eV,為優良絕緣體)、高熱導率(尤其在面內方向)、優異的化學惰性(不與多數熔融金屬反應)、低介電常數與低介電損耗,以及因層狀結構帶來的固態潤滑性。

基於這些獨特的物理化學性質,h-BN 的應用極為廣泛,不僅在高科技工業領域,也深入了我們的日常生活:

  • 日常生活應用 - 化妝品與護膚品: h-BN 粉末因其極佳的滑順感、延展性、吸油控油能力、柔焦效果(視覺上模糊細紋)及良好的附著性,被廣泛添加於高品質的粉餅、散粉、粉底液、眼影甚至護膚霜中,提升產品的使用體驗和妝效質感。
  • 日常生活應用 - 消費性電子產品散熱: h-BN 作為一種關鍵的導熱填充物,被應用在導熱塑膠、導熱矽膠片或導熱膏中。由於它同時具備高熱導率和優良的電氣絕緣性(導熱但不導電),能安全有效地幫助智慧型手機、筆記型電腦、LED 燈具等內部發熱元件散熱,確保產品穩定運行並延長壽命。雖然我們看不見它,但它對現代電子產品的性能至關重要。
  • 工業及高階應用: 此外,h-BN 在工業上還廣泛應用於高溫固態潤滑劑、不與熔融金屬反應的坩堝與脫模劑、中子吸收與屏蔽材料 (因 10B),以及作為二維電子材料(如石墨烯)的理想介電基板。

立方氮化硼 (c-BN),結構則類似於鑽石,原子間以 sp3 混成軌域形成強共價鍵。其硬度僅次於鑽石,具備極高的熱導率、優良的熱穩定性與化學惰性,尤其對鐵系金屬在高溫下仍能保持穩定(相較於鑽石易與鐵反應)。因此,c-BN 主要作為超硬磨料,應用於對硬質鋼鐵材料進行精密加工的切削工具、砂輪與研磨膏中,亦可作為高耐磨塗層材料。纖鋅礦結構的 w-BN 性質與 c-BN 相似,但其合成條件更為嚴苛,應用相對較少。

此外,奈米結構的氮化硼,如氮化硼奈米管 (BNNTs) 與奈米片 (BNNS),因其高比表面積與獨特的尺寸效應,在複合材料增強、儲氫、先進介電材料等前瞻領域展現出應用潛力。

**總結來說,**氮化硼憑藉其多樣的結晶結構與對應的獨特物理化學性質組合,在熱管理、電氣絕緣、超硬加工、高溫潤滑等嚴苛工業環境扮演著不可或缺的角色。同時,它也透過在化妝品和消費性電子產品中的巧妙應用,提升了我們日常生活的品質與科技體驗。雖然常隱身幕後,氮化硼無疑是一種極具發展潛力的高性能先進陶瓷材料。

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