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“白色石墨烯”——有望超越石墨烯的二维材料

来源:新材料在线|

发表时间:2019-08-27

点击:13744

在开始介绍“白色石墨烯”之前,我们先来了解一下二维材料的基本概念。


二维材料大家族


二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料,如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学(University of Manchester)Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。


石墨烯以其突出的高载流子迁移率、高强度、高透光率、优良的导热能力等特点,无论是在理论研究还是应用领域,都引起了全世界科研人员的极大兴趣。后续又有一些其他的二维材料陆续被分离出来,如:黑磷、锡烯、硅烯、氮化硼、二硫化钼、二硒化钨等。





目前除石墨烯外,科学家们已发展了五大体系的二维材料:MXenes(超薄碳化物或氮化物二维材料)、Xenes(单原子层单质二维材料)、Organicmaterials(有机二维材料)、TMD(过渡金属二硫族化物)以及Nitrides(氮化物)。





石墨烯的透光率、二硫化钼的直接带隙、氮化硼的绝缘性、黑磷烯的半导体性、锡烯的超导电性等特性能让二维材料在不同的领域发挥各自特长。虽然目前人们对二维材料的研究才刚刚起步,但这些二维材料神奇的特性吸引着越来越多的科研人员投身该领域的研究。


接下来小编再为大家详细开讲,“白色石墨烯”的性质及应用。


“白色石墨烯”是什么?


“白色石墨烯”是六方氮化硼(英文名称为Hexagonal Boron Nitride,缩写为h-BN)的别名,由于六方氮化硼的结构和石墨非常相似,具有六方层状结构,质地柔软,可加工性强,并且颜色为白色,所以俗称“白石墨”(现也被称作“白色石墨烯”)。






六方氮化硼和石墨烯都是仅一个原子厚度的层状二维材料,不同之处在于石墨烯结合纯属碳原子之间的共价键,而六方氮化硼晶体中的结合则是硼、氮异类原子间的共价结合。




虽然结构类似,但是两者在电学性能方面却有着天壤之别。六方氮化硼因为层状结构中没有可自由移动的电子,是一种天然绝缘体,而石墨烯却是一种优良的导体。






另外,h-BN还具有高热稳定性、良好的导热性和电绝缘性、宽带隙(约5.5 eV)、独特的紫外发光性能、润滑性好、机械强度高、耐化学腐蚀性,具有中子吸收能力等明显特点。




“白色石墨烯”的广泛应用


所谓结构决定性能,性能决定应用,六方氮化硼具备的多种特性,使得它被广泛应用于高科技领域。如:制备立方氮化硼、陶瓷制品、导热塑料、颜料、精密铸造脱模剂、透波材料、化妆品、芯片散热材料等。


  • 芯片散热材料


随着电子元件和系统的体积不断变小,速度不断变快,热处理和可靠性成了影响它们寿命的关键问题。局部高热流热点的热管理是大功率电子器件的关键,不理想的散热会造成芯片中特殊区域温度过高,影响电子系统性能和电子器件的可靠性。





虽然石墨烯有着超高的热导率(5300W/( m·K) ),但是在实验中发现,芯片表面的二氧化硅绝缘层厚度会影响石墨烯的散热效果,二氧化硅层太厚会阻碍热点热量向石墨烯层有效传导,太薄又容易使金属电路和石墨烯层接触而出现短路。而六方氮化硼,作为一种既绝缘又高导热的材料,将成为提高芯片散热能力的关键材料。


  • 耐高温润滑剂


六方氮化硼在极低和极高(900 °C)的温度甚至是氧气下都是一种很好的润滑剂,这使得它在石墨的导电性和与其它物质发生化学反应造成应用受限时特别有用,并且h-BN的润滑机理并不涉及到层面之间的水分子,氮化硼润滑剂还可以在真空下使用。




将h-BN分散在耐热润滑油脂、水或溶剂中,填充在树脂、陶瓷、金属表面作成耐高温自润滑复合材料,可用于宇航工程;h-BN悬浮液呈白色或淡黄色,在纺织机械上不会污染纤维制品,因此可大量用在合成纤维纺织机械润滑上;此外,h-BN润滑油还可用于高温用润滑剂、航空航天器上的超高温用润滑剂及耐热压缩机油及高温用润滑脂等。





目前使用最广泛的固体润滑剂是二硫化钼,广泛应用于各种要求高性能润滑剂的领域。但由于目前二硫化钼的价格高昂,已超过了氮化硼粉体的价格,所以目前正有大量厂家研究用六方氮化硼替代二硫化钼,这样使六方氮化硼在润滑油工业中的应用可能性大为增加,有可能取代一部分传统上使用二硫化钼的场合。





  • 六方氮化硼及其复合陶瓷


六方氮化硼粉体可以通过热压工艺制备高温绝缘陶瓷材料。其典型应用是电子零件,尤其是在硅半导体加工中应用颇多:CVD坩埚,微电路封装,溅射靶材,高精度密封,钎焊和金属化支撑体,微波管,立式浇铸密封环,低摩擦密封件,等离子弧绝缘件,热电偶保护管,高温窑炉固定和支撑体等。


六方氮化硼与二硼化钛复合制备的导电复合陶瓷主要用于金属镀膜工业,主要是真空蒸镀包装材料、电容器金属化真空镀膜、显示屏镀层、烫金镀层、防伪标志镀层、反光镀膜以及纸张、纺织品镀铝等。


利用六方氮化硼的耐热耐侵蚀性可以制作高温构件、火箭燃烧室内衬等。六方氮化硼与氮化硅通过气压烧结复合,可以制作低介电常数和介电损耗的远程导弹陶瓷天线罩。六方氮化硼陶瓷还可以作为核反应堆零部件,提高反应堆运行的安全性。


  • 合成立方氮化硼的原料


六方氮化硼是生产立方氮化硼的原料之一,在压力为3000~8000兆帕、温度为800~1900℃范围内,六方氮化硼与触媒在高温高压下反应可转变为立方氮化硼单晶体。




而立方氮化硼是继人造金刚石后,人工合成的一种超硬无机材料,其硬度仅次于金刚石,立方氮化硼具有优于金刚石的热稳定性和对铁族金属的化学惰性,适于加工既硬又韧的材料。利用立方氮化硼进行机械加工,不仅能提高生产率,严格控制工件的形状和尺寸精度,还能有效地提高工件的磨削质量,显著提高磨后工件的表面完整性。目前立方氮化硼磨具和刀片广泛应用于地质勘探、石油钻探、石材、机械、汽车及国防工业等各个领域。


  • 导热塑料的填料


导热工程塑料是将高导热填料、加工助剂添加在工程塑料或通用塑料基质中复合而成,可以分为电绝缘型和非电绝缘型两大类型。电绝缘导热工程塑料主要针对电子工业、照明行业等高集成化和多分层化需求,是针对工程塑料基材的电绝缘性和导热性同时有要求的情况而开发的。




六方氮化硼优良的绝缘性能和导热性能使其成为最受关注的陶瓷填料。在LED灯具外壳、反射器、手柄、紧固部件、接口、滑动部件、风扇叶片、操作部件、光孔道等已经得到了广泛应用。这些LED灯具提高了在电器、医疗、航空航天、汽车、照明、笔记本电脑等器件的性能。


  • 精密铸造、有色铸造脱模剂


六方氮化硼良好的润滑性及防粘(脱模)性,可以用于精密件、有色金属铸件铸造过程中作为脱模剂,可有效提高铸件的表面质量。六方氮化硼涂覆在金属及陶瓷等材料后,可以使材料具有良好的润滑性及防粘(脱模)性,并可阻止或减少材料与熔体之间的化学反应,提高材料寿命。



六方氮化硼还是玻璃加工过程中的理想材料,有助于将玻璃制品的表面缺陷减至最低、使之更容易脱模,提高模具/压模的使用寿命,减少模具清理所需的时间,且大多数玻璃不会与氮化硼粘结。


  • 高温防腐涂料


随着航空、航天、汽车以及兵器等行业的迅速发展,对于金属材料的使用性能要求越来越高,不仅需要在更高的使用温度以及更为苛刻的腐蚀环境下作业,同时还要具有抗震动、抗疲劳、抗温度骤变以及耐冲刷等性能,有机高分子材料已很难满足使用要求。



六方氮化硼具有良好的化学稳定性,在空气中高达1000℃、真空中1400℃和在惰性气体中2800℃都仍然稳定,且对大多数金属熔体如钢、不锈钢、铝、铁及铜等既不润湿又不发生作用并具有良好的润滑性能。六方氮化硼涂层与基体结合力强,涂层硬度高,抗摩擦,抗冲击。随着有色冶炼工业的发展,耐高温氮化硼涂料的用途遍及流槽、分流盘、铸造台内衬、过滤箱、转接板、铸咀、撇渣器、浇包,转运包等产品表面。


  • 中子吸收涂料填料


六方氮化硼粉体中硼含量高,硼的热中子吸收界面大,以六方氮化硼为主要颜填料的涂料,特别是以聚氨酯为成膜介质的涂料,不仅具有良好的快中子和慢中子吸收特性,而且呈现明亮的白色,可美化环境。



  • 化妆品行业


六方氮化硼带有静电粒子,在化妆品中加入3%~30%,不仅可增加化妆品附着力和遮盖力,还有良好的滑移特性,使彩妆产品紧致、易涂抹、易于清洁去除,不需硬脂酸盐等添加剂。六方氮化硼粉末为白色,加入化妆品中使肤色白皙动人。六方氮化硼比表面积高,有很多悬挂键与液体溶剂连接,从而有优异的遮盖性能,营造均匀美白、纯净无暇的效果。




六方氮化硼的最新研究进展


作为有望超越石墨烯的二维材料,六方氮化硼近几年研究成果颇丰。小编收集整理了以下5则比较典型的h-BN研究方向的科技新闻,供读者参考。


“白色石墨烯”可大幅提升陶瓷材料性能


据新华网2018年1月17日报道,美国莱斯大学科学家提出,在陶瓷材料里掺入纳米材料“白色石墨烯”,可大幅提升陶瓷材料的强度、韧性以及耐热、耐辐射等能力,有潜力用于核工业、航天等需要高性能复合材料的领域。相关论文日前已发表在美国化学学会的《应用材料与界面》杂志上。




通过模拟计算显示,白色石墨烯层能释放复合材料所受的力,使其强度比雪硅钙石高3倍,刚度,即抵抗弹性变形的能力高出约25%,不像普通陶瓷材料那样容易碎裂。另外,材料的耐热和耐辐射性能也有明显提升。


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http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=133515




美科学家成功制备出由单一同位素组成的六方氮化硼


据美国海军研究实验室2018年1月4日报道,美国海军研究实验室一个由物理学家组成的科研团队已经找到改善六方氮化硼器件光学损耗特性和传输效率的手段,使得制备小型激光器和纳米光学器件成为可能。相关研究成果已发表在2017年12月11日的《Nature Materials》上。



研究人员通过在极性半导体和介电材料中精心设计同位素来克服纳米光子学固有的效率限制,新方法使光学损耗显着降低,导致新的光学模式,使光线行进距离增长三倍,并且持续时间比天然h-BN长三倍。这些长寿命的振动模式不仅能使hBN立即实现某些功能——如近场光学和化学传感——而且为其他材料系统开发和利用提供了一种战略方法。


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http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=128518




石墨烯-六方氮化硼异质结构可实现超快热传输


据Sciencedaily网站2017年11月29日报道,在欧盟“石墨烯旗舰”计划支持下,西班牙光子科学研究所制备出由电介质二维材料六方氮化硼封装石墨烯构成范德华异质结构,并成功实时观察并跟踪到范德华异质结构间发生的热传输。




研究人员发现了一个令人惊讶的现象:热流并没有停留在石墨烯层,而是流向了周围的六方氮化硼层。面外热转移时间非常快,为皮秒量级,因此,比面内传热有优势。研究成果发表在《自然·纳米技术》。研究成果将对基于六方氮化硼封装石墨烯的应用(也是下一代石墨烯应用平台)产生深远影响。特别是,该技术将为光电子器件设计提供方向,以充分利用热流。


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http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=138341




石墨烯/六方氮化硼复合材料作为电子封装材料前景如何?


据合肥物质科学研究院官网2017年10月10日报道,中科院合肥物质科学研究院应用技术研究所先进材料中心研发团队在先进电子封装材料研究方面取得系列进展。




课题组在不破坏材料结构的情况下,设计自组装合成出系列石墨烯/六方氮化硼(Graphene/hBN)杂化结构。利用导热组分在聚合物中选择性分布,获得绝缘导热杂化结构。通过模拟,验证了该杂化材料在散热领域的应用可行性。该研究成果将有望在先进电子封装领域以及热管理领域具有广阔的应用。


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上海微系统所石墨烯/六方氮化硼平面异质结研究获进展


据上海微系统与信息技术研究所2017年5月5日报道,研究员谢晓明领导的研究团队在石墨烯/六方氮化硼平面异质结研究取得新进展。




研究人员采用化学气相沉积(CVD)方法成功制备出单原子层高质量石墨烯/六方氮化硼平面异质结,并将其成功应用于WSe2/MoS2 二维光电探测器件。该项工作得到了科技部重大专项“晶圆级石墨烯电子材料与器件研究”以及中科院和上海市科委相关研究计划的资助。


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http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=41162


国内六方氮化硼主要生产企业


淄博市新阜康特种材料有限公司

秦皇岛一诺高新材料开发有限公司

昭和电工管理(上海)有限公司

营口辽滨精细化工有限公司

丹东市化工研究所有限责任公司

丹东日进科技有限公司

淄博晶源氮化物有限公司

青州市方圆氮化硼厂

潍坊邦德特种材料有限公司

青州迈特科创材料有限公司

淄博沛达特种陶瓷有限公司

巩义市三星陶瓷材料有限公司

深圳六碳科技有限公司

南京先丰纳米材料科技有限公司

……

(如果您是六方氮化硼相关生产厂商,欢迎加入先进陶瓷产业链通讯录,与600+行业大咖交流学习)


国内六方氮化硼相关研究机构


中国科学院上海微系统与信息技术研究所

中国科学院合肥物质科学研究院

中国科学院兰州化学物理研究所

中国科学院宁波材料技术与工程研究所

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

北京大学纳米化学研究中心

江苏大学

苏州大学

河北工业大学

……

(如果您是六方氮化硼相关研究机构,欢迎加入先进陶瓷产业链通讯录,与600+行业大咖交流学习)



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