一文看氮化硼陶瓷材料的特性与应用

具有如石墨一样的特性而质地洁白的材料,是人们多年来所希求的,这种材料就是被称为“白色石墨”的氮化硼，氮化硼作为一种性能优异的先进陶瓷材料,其应用及新的合成方法成为材料研究领域的热点和前沿问题。

1.稳定性

对大多数金属熔体，如钢、不锈钢、AL、FE、Ge、Bi、Si、Cu、等既不润湿又不发生作用。因此，可用作熔炼蒸发金属的坩锅、舟皿、液态金属输送管，火箭喷口，大功率器件底座，用作高温电偶保护，熔化金属的管道、泵零件、铸钢的模具以及高温电绝缘材料等。

2.耐热耐蚀性

可以制造高温构件、火箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏蔽、磁流体发电机的耐蚀件等。

3.绝缘性

广泛应用于高压高频电及等离子弧的绝缘体以及各种加热器的绝缘子，加热管套管和高温、高频、高压绝缘散热部件，高频应用电炉的材料。

4.热导性

用作制备砷化镓、磷化镓、磷化铟的坩锅，半导体封装散热底板、移相器的散热棒，行波管收集极的散热管，半导体和集成电极的p型扩散源和微波窗口。

5.屏蔽性

在原子反应堆中，用作中子吸收材料和屏蔽材料。还可用作红外、微波偏振器，红外线滤光片，激光仪的光路通道，超高压压力传递材料等。

6.润滑剂

可以作为自润滑轴承的组分。氮化硼的很多物理性能同石墨相似，因而有白石墨之称。它与云母、滑石粉、硅酸盐、脂肪酸等统称为白色固体润滑剂。作为润滑剂使用，氮化硼可以分散在耐热润滑油脂、水或溶剂中;喷涂在摩擦表面上，待溶剂挥发而形成干膜；填充在树脂、陶瓷、金属表面层作为耐高温自润滑复合材料。用于宇航工程上，也可把氮化硼粉末直接涂在导轨面上。氮化硼悬浮油呈白色或黄色。因而在纺织机械上不污染纤维制品，可大量用在合成纤维纺织机械润滑上。

7.添加剂

由氮化硼加工制成的氮化硼纤维，为中模数高功能纤维，是一种无机合成工程材料，可广泛用于化学工业，纺织工业、宇航技术和其它尖端工业部门。

立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的超硬材料。这种超硬材料在已工业化应用的超硬材料中，硬度仅次于金刚石。立方氮化硼热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性，因此立方氮化硼磨具在铁基金属制品切削、磨削加工领域应用广泛，性能十分优异。

氮化硼超硬材料简介

立方氮化硼有单晶体和多晶烧结体两种。单晶体是把六方氮化硼和触媒在压力为3000～8000兆帕、温度为800～1900℃范围内制得。典型的触媒材料选自碱金属、碱土金属、锡、铅、锑和它们的氮化物。立方氮化硼的晶形有四面体的截锥、八面体、歪晶和双晶等。工业生产的立方氮化硼有黑色、琥珀色和表面镀金属的,颗粒尺寸通常在1毫米以下。

氮化硼聚晶在金属切削领域的应用

立方氮化硼聚晶（PCBN）刀具是由许多细晶粒（0.1～100微米）CBN聚结而成的一类超硬材料产品。

它除了具有高硬度、高耐磨性外，还具有高韧性、化学惰性、红硬性等特点，并可用金刚石砂轮开刃修磨。在切削加工的各个方面都表现出优异的切削性能，能够在高温下实现稳定切削，特别适合加工各种淬火钢、工具钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料。刀具切削锋利、保形性好、耐磨性能高、单位磨损量小、修正次数少、利于自动加工，适用于从粗加工到精加工的所有切削加工。

PCBN具有CBN的大部分性能，又克服了CBN单晶晶面方向性解理的缺点,具有较多的性能优势：

1、高硬度。PCBN刀具的硬度仅次于金刚石，大大高于硬质合金和陶瓷刀具，因此可以加工硬度为HRC60以上的淬硬钢、铸铁和硬质合金．

2、高耐磨性。PCBN刀具的耐磨性远远高于硬质合金和陶瓷，其使用寿命通常是陶瓷刀具的3~5倍，硬质合金刀具的5~15倍．

3、高化学惰性。PCBN与铁族元素及其合金材料在1200~1300℃时不易发生化学反应，克服了聚晶金刚石刀具与铁的化学亲和性；具有较高的抗氧化能力，对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多。

4、高热稳定性。PCBN的耐热性可以达到1400℃，比金刚石刀具（700~800℃）高得多．经使用证明1100℃以上的切削温度仍能维持高锋利的切削性能，适合于干式切削。

5、高导热性。在各类刀具材料中，PCBN的导热系数是79.54W/(m·k)，仅次于金刚石，远远好于硬质合金，且随着温度的升高，PCBN的导热性能还会有所提高。

6、低摩擦系数。与其他刀具材料相比，PCBN摩擦系数低。PCBN与不同材料间的摩擦系数大致为0.1～0.3，而硬质合金为0.4～0.6，而且随着切削速度的提高，摩擦系数呈减小趋势，从而使切削力减小，并减少刀屑粘刀现象。

立方氮化硼在磨削领域的应用

立方氮化硼磨具具有十分优异的磨削性能，不仅能完成难磨材料的加工、提高生产率，有效提高工件磨削质量，还能严格控制工件的形状和尺寸，提高磨后工件的表面完整性，因而提高零件的疲劳强度，延长使用寿命。

立方氮化硼微粉适用于树脂、金属、陶瓷等结合剂体系，亦可用于生产聚晶复合片，还可用做松散磨粒、研磨膏等。立方氮化硼作为磨具材料，使用寿命长、耐磨性好。但是，单晶立方氮化硼也存在晶粒尺小，各向异性，存在容易劈裂的解理面等不足之处。

由于立方氮化硼具有诸多的性能优势，同时它的的生产过程相比其它超硬材料而言，能源消耗少和环境污染小。因此，立方氮化硼的使用是对金属磨削加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。

另外一些受力较小的部件，如襟翼也使用了玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低，在受力较小的部件上应用，既可以达到设计要求，又可以降低制造成本。

4 芳纶蜂窝材料

C919大型客机舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料，这是一种采用酚醛树脂浸渍的芳纶纸制成的轻质高强非金属仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢设计，具有稳定、轻质的结构和很高的比强度，与泡沫芯材相比，它具有更高的剪切强度，与金属蜂窝相比，它更加耐腐蚀。

同时，芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能，是一种比较理想的民机复合材料。

5 碳纤维复材及陶瓷基复材

航空发动机作为“航空之花”，可以说是航空技术和工业积累的完整体验。C919的发动机为LEAP-X1C发动机。它采用了18片赛峰公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。 

6 芳砜纶纤维

芳砜纶简称PSA纤维，由聚砜酰胺组成。其主要特点是优良的电绝缘性和耐热性,此外，阻燃性高,极限氧指数超过30%，耐化学稳定性好,除了几种极性很强的溶剂和浓硫酸之外，在常温下对化学品均具有良好的稳定性。芳砜纶不仅可以制作多种耐高温滤材和高温高压电器中的绝缘材料,而且还可加工成运输工具中的高级阻燃织物等。

据悉，C919机舱内部将首次启用芳砜纶纤维制作椅罩、门帘，将使得飞机减重30公斤以上，每架飞机能够节省超万元成本。 

7 橡胶化合物

其实飞机轮胎所使用的材料与汽车轮胎基本相同，主要区别则来自飞机轮胎采用了更高强度的橡胶化合物，以至于飞机轮胎能被充气到200磅/平方英寸的气压，这相当于汽车轮胎气压的6倍，C919使用的就是来自米其林的Air X子午线轮胎。

结语

此外，国产大飞机C919在雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等主承力和次承力结构上使用了复合材料，占全机结构总重的比例达11.5%。

这是中国民用航空制造领域第一次在主承力结构、高温区、增压区使用复合材料，并且实现了T800级高强碳纤维增韧复合材料的应用，可以说为复合材料在民机制造领域的应用积累了宝贵的工程实践经验。