1. Введение
Монокристалл кубического нитрида бора (cBN), как сверхтвердый материал, играет чрезвычайно важную роль в промышленной обработке, режущих инструментах, шлифовальных инструментах и других областях. Его уникальные физические и химические свойства делают его одной из горячих точек в современных исследованиях в области материаловедения. Этот отчет направлен на глубокое изучение структуры, свойств, методов получения, состояния применения, проблем и будущих тенденций развития монокристалла кубического нитрида бора.
2. Структура и свойства монокристалла кубического нитрида бора.
(1) Кристаллическая структура
Кубический нитрид бора имеет структуру цинковой обманки, аналогичную алмазу, в которой атомы бора и атомы азота поочередно располагаются в ковалентных связях, образуя гранецентрированную кубическую решетку. Эта структура придает кубическому нитриду бора такие свойства, как высокая твердость, высокая износостойкость и высокая стабильность.
(2) Физические свойства
Твердость: Твердость кубического нитрида бора уступает только алмазу, а его твердость по Виккерсу может достигать 45 - 50 ГПа, что позволяет эффективно обрабатывать различные материалы высокой твердости, такие как сталь, твердый сплав и т. д.
Термическая стабильность: в условиях высоких температур кубический нитрид бора демонстрирует хорошую термическую стабильность и может оставаться стабильным в диапазоне температур 1200–1500 ° C. Эта характеристика делает его уникальным в процессах высокоскоростной резки и высокотемпературной обработки.
Теплопроводность: Обладает высокой теплопроводностью, что помогает вовремя рассеивать тепло во время обработки и уменьшать износ инструмента и тепловую деформацию заготовки.
Оптические свойства: он имеет хороший оптический коэффициент пропускания в определенном диапазоне длин волн и может использоваться в оптических покрытиях, материалах для окон и других областях.
(3) Химические свойства
Кубический нитрид бора обладает относительно стабильными химическими свойствами, обладает определенной коррозионной стойкостью и не склонен к химическим реакциям в обычных кислых и щелочных средах. Однако при высокой температуре, высоком давлении и присутствии определенных химикатов могут возникнуть химические реакции, влияющие на его производительность.
3. Способ получения монокристалла кубического нитрида бора.
(1) Метод синтеза при высокой температуре и высоком давлении.
Это один из основных методов, используемых в настоящее время для получения монокристаллов кубического нитрида бора. Обычно в условиях высокой температуры (1200–2000°С) и высокого давления (4–8 ГПа) в качестве сырья используют гексагональный нитрид бора (hBN), а металлические катализаторы (такие как литий, магний, натрий и т. д.) добавлен для проведения реакции фазового перехода. Синтезированный монокристалл кубического нитрида бора. Этим методом можно получить более крупные и качественные монокристаллы кубического нитрида бора, но оборудование дорогое, процесс сложен, а потребление энергии велико.
(2) Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
Газообразные бор- и азотсодержащие соединения используются для химического взаимодействия при вспомогательных условиях, таких как высокая температура, низкое давление и плазма, для осаждения монокристаллов кубического нитрида бора на поверхности подложки. Этот метод позволяет точно контролировать процесс роста кристалла, а также толщину и качество пленки, а также позволяет готовить наноразмерные пленки или кристаллы кубического нитрида бора, но скорость роста относительно медленная, и трудно получить объемные монокристаллы большого размера. .
(3) Другие методы
Например, метод импульсного лазерного осаждения и метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза также использовались при получении монокристаллов кубического нитрида бора. Однако они все еще находятся на стадии лабораторных исследований или мелкомасштабных испытаний и еще не достигнуты. крупное промышленное производство.
4. Статус применения монокристалла кубического нитрида бора.
(1) Поле режущего инструмента
Режущий инструмент из кубического нитрида бора широко применяется при резке металлов, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов, таких как закаленная сталь, жаропрочные сплавы и титановые сплавы повышенной твердости. По сравнению с традиционными твердосплавными инструментами, инструменты из кубического нитрида бора имеют более высокие скорости резания, более длительный срок службы инструмента и лучшее качество обработанной поверхности, что может значительно повысить эффективность обработки и снизить затраты на обработку.
(2) Поле абразивных инструментов
Шлифовальные круги, абразивные ленты и другие абразивные инструменты из абразивов кубического нитрида бора хорошо себя зарекомендовали в процессах шлифования. Его можно использовать для шлифования быстрорежущей стали, литейной стали, подшипниковой стали и других материалов. Он обеспечивает высокоточное и высокоэффективное шлифование, а также выделяет меньше тепла в процессе шлифования, что затрудняет обжиг поверхности заготовки.
(3) Другие поля
В электронной промышленности кубический нитрид бора может быть использован для изготовления теплорассеивающих подложек для высокотемпературных и мощных полупроводниковых приборов в оптической области, в качестве материалов для оптических окон с высокой твердостью и высоким показателем преломления; и материалы покрытия для инфракрасных оптических систем и лазеров. Оптические системы и т. д. в области бурения нефти буровые долота из кубического нитрида бора могут повысить эффективность бурения и срок службы буровых долот, а также адаптироваться к потребностям бурения сложных пластов.
5. Проблемы и перспективы развития исследований монокристаллов кубического нитрида бора.
(1) Проблемы, с которыми пришлось столкнуться
Высокая стоимость получения: будь то метод синтеза при высокой температуре и высоком давлении или метод химического осаждения из паровой фазы, существуют такие проблемы, как большие инвестиции в оборудование, высокая стоимость сырья, высокое потребление энергии и т. д., что приводит к высокой стоимости получения кубического бора. монокристалл нитрида, что ограничивает его более широкое применение.
Контроль качества кристаллов. В процессе крупномасштабной подготовки трудно точно контролировать целостность кристаллической структуры, внутренние дефекты, содержание примесей и т. д. монокристаллов кубического нитрида бора. Эти факторы будут влиять на характеристики и эффекты применения кристалла. .
Получение монокристаллов большого размера. Хотя метод синтеза при высокой температуре и высоком давлении позволяет получить монокристаллы большего размера, по мере увеличения размера трудно обеспечить однородность качества и стабильность кристаллов при химическом осаждении из паровой фазы; Метод получения объемного монокристалла большого размера все еще сталкивается со многими техническими трудностями.
(2) Будущие тенденции развития
Инновации в технологии подготовки: разрабатывайте новые методы синтеза или улучшайте существующие процессы, чтобы снизить затраты на подготовку и улучшить качество кристаллов и эффективность производства. Например, исследовать новые катализаторы или флюсы для оптимизации процессов синтеза при высоких температурах и высоких давлениях, а также разрабатывать новые источники газа и реакционные устройства для улучшения скорости роста и размера кристаллов в методах химического осаждения из паровой фазы.
Расширение областей применения: ожидается, что благодаря постоянному развитию науки и техники монокристалл кубического нитрида бора будет использоваться в новых областях, таких как квантовые вычисления, новые энергетические материалы, аэрокосмическая и другие области. Например, его стабильность в экстремальных условиях, таких как высокая температура, высокое давление и сильное излучение, делает его потенциальным материалом подложки для квантовых чипов.
Композит и функционализация. Путем объединения с другими материалами или выполнения функционального дизайна разрабатываются композиционные материалы на основе кубического нитрида бора или функциональные материалы с множеством превосходных свойств. Например, композиционные материалы из кубического нитрида бора и металлов, керамики и т. д. готовятся для достижения органического сочетания высокой прочности, высокой ударной вязкости и высокой твердости материалов из кубического нитрида бора со специальными функциями, такими как самосмазывающиеся, антибактериальные; , и оптоэлектроника развита.
Таким образом, монокристалл кубического нитрида бора, как важный сверхтвердый материал, имеет широкие перспективы применения и огромную исследовательскую ценность. Несмотря на то, что он все еще сталкивается с некоторыми проблемами при подготовке и применении, в условиях постоянных инноваций и развития науки и технологий ожидается, что он сыграет ключевую роль в большем количестве областей и будет способствовать прогрессу смежных отраслей в будущем.
