氮化硼纤维制法

氮化硼纤维是20世纪60年代发展起来的无机纤维，该纤维具有优良的机械性能、耐热性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能以及独特的电性能等，可用作金属基陶瓷基聚合物基复合材料的增强材料。

简介氮化硼具有类似于石墨的晶体结构，但层间的堆积状态明显地不同于石墨。在氮化硼中原子的六角环直接堆砌在彼此的顶点上，而在石墨中一半原子位于相邻层六角环的中心之间，层间距大约是0.3~0.33nm，在环的内部B-N和C-C键的距离分别是0.145nm和0.141nm。通过X射线对氮化硼纤维的研究表明，氮化硼还有一种结晶形式，称为“涡轮层状”，是氮化硼纤维的主要相，它与纤维的一些性质密切相关。纤维中氮化硼“涡轮层状”的结晶尺寸从15nm到几千纳米，层间距接近0. 333nm。氮化硼具有六角环平面网状结构， B-N键键能400kJ/mol，可作为耐高温材料使用。氮化硼纤维在熔融金属中是稳定的，在空气中约900℃时仍能稳定存在。

制造方法氮化硼纤维的制造方法主要有无机先驱体转化法和有机先驱体转化法两种。无机先驱体转化法是将氧化硼熔纺成先驱体氧化硼纤维，在氨气气氛中高温氮化，再进一步高温烧成氮化硼纤维。其反应过程如下。

在200℃以上，B2O3纤维与NH3先形成加成络合物：

nB2O3+NH3—→（B2O3）n·NH3（n≥3）

在350℃以上，加成络合物进一步与NH3反应：

（B2O3）n·NH3—→（BN）x（B2O3）y（NH3）z+H2O式中，x、y、z与反应时间、NH3的浓度和升温速率有关。

当温度超过1800C时,在惰性气氛中进一步氮化:

yH2O+（BN）x（B2O3）y（NH3）z—→xBN+yB2O3·H2O+zNH3

在整个氮化过程中，氨容易扩散进入细直径的纤维而形成加成络合物，然后进一步与氨反应释放出水。随着反应的进行，纤维的含氮量增加，在纤维的外层形成一层致密的氮化硼，未氮化的B2O3在高温下成熔融状态向外层迁移，在纤维内部留下裂纹和空洞，使纤维性能降低。因此，在氮化硼纤维的制造过程中，必须选择最佳的升温速率及反应时间，以防止纤维熔融并控制氮化速率。在任何给定的温度下，反应都会达到平衡状态，当温度超过600℃时，开始形成三维层状物，继续在高温下加热，会导致石墨化结构的生长和完善，当温度超过1800℃时，氧化硼纤维完全转化为氮化硼纤维。

有机先驱体转化法制备氮化硼纤维是以含有B-N主键结构的聚合物为先驱体，经熔融纺丝及交联后经高温（1800℃）处理获得氮化硼纤维。以有机先驱体出发制备氮化硼纤维，先驱体可根据目标产物的结构和性能要求，进行先驱体分子结构设计，通过改变分子结构和组成得到性能不同的氮化硼纤维。

特性氮化硼的结构类似于石墨，而氮化硼的耐氧化性能比石墨优越，石墨纤维在空气中400℃时氧化性能开始降低，而氮化硼纤维在850℃的空气中才开始氧化。石墨纤维被氧化时产生气体，不形成表面的保护层；而氮化硼纤维在氧化过程中具有增重现象，这是因为形成氧化硼保护层，可以防l止深度氧化。在惰性或还原性气氛中，直到2500℃纤维的性能是稳定的。氮化硼纤维的强度和模量接近于玻璃纤维，但是它的多晶性质使它具有较好的耐腐蚀性能。它的密度为1.4~2.0g/cm3，用其制备的复合材料具有轻质高强的特点。氮化硼纤维具有优异的电性能，直到2000℃纤维还具有很好的电绝缘性能，氮化硼纤维还具有很低的介电损耗和介电常数，是耐烧蚀天线窗的理想材料。

由于氮化硼纤维表面上孔隙率很低且呈封闭状态，纤维很难被树脂浸润，氮化硼纤维增强的聚合物基复合材料主要是靠摩擦力而相互作用。1

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学