在新材料領(lǐng)域，氮化硼（BN）因其獨(dú)特的性能而備受關(guān)注，不僅擁有高導(dǎo)熱率和優(yōu)異的絕緣性，還展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用潛力，在多種形式下（如納米片、納米管和纖維）均有被深入研究。

其中，氮化硼纖維作為一種高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕且具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的材料，正成為未來電子器件熱管理和新型復(fù)合材料的重要方向。本文將從結(jié)構(gòu)特性、制備技術(shù)和應(yīng)用前景三個(gè)方面，探討氮化硼纖維在材料科學(xué)中的獨(dú)特魅力及發(fā)展挑戰(zhàn)。

氮化硼連續(xù)纖維

關(guān)于氮化硼

氮化硼（BN）是一種具有蜂窩狀原子結(jié)構(gòu)的材料，其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和絕緣性使其在熱界面材料領(lǐng)域備受關(guān)注。與石墨類似，氮化硼也有立方、層狀和納米管等多種形態(tài)。

BN的四種主要結(jié)晶形式，即立方氮化硼（cBN；圖a）；纖鋅礦型氮化硼（wBN；圖b）；斜方體氮化硼（rBN；圖c）；以及六方氮化硼（hBN；圖d）

氮化硼纖維的制備技術(shù)

氮化硼纖維是可以在超高溫下長期使用的纖維，具有高強(qiáng)輕質(zhì)、良好的耐腐蝕性、耐高溫氧化性及透波等特點(diǎn)，因此，在學(xué)術(shù)界也受到廣泛關(guān)注，在制備工藝上已取得重要進(jìn)展。以下是幾種關(guān)鍵制備方法：

1、無機(jī)前驅(qū)體法

無機(jī)前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法就是利用氧化硼（B₂O₃）或者硼酸（H₃BO₃）作為先驅(qū)體，將熔融 B₂O₃在低溫條件下拉絲成纖維狀并在NH₃氣氛下氮化后再經(jīng)過高溫N₂氣氛下氮化得到均勻的氮化硼纖維。

2、靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲法就是采用穩(wěn)定電紡聚丙烯腈纖維沉積的氧化硼(B2O3)涂層合成了連續(xù)氮化硼纖維。Qiu等人研究了溶液涂布結(jié)合靜電紡絲的方法，通過控制氧化硼溶液濃度，成功制備了直徑可控的氮化硼納米纖維。這種纖維在(002)面結(jié)晶高度取向，展現(xiàn)了優(yōu)異的導(dǎo)熱性。

3、有機(jī)前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

有機(jī)前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法就是通過陶瓷前驅(qū)體聚合物熱解和裂解路線，各種基于含有硼元素和氮元素的聚合物熱解成功地轉(zhuǎn)化為氮化硼纖維，通過有機(jī)聚合物先制備出纖維先驅(qū)體，然后通過聚合物熱解和裂解形成氮化硼纖維

4、硼酸和三聚氰胺化學(xué)反應(yīng)合成法

硼酸和三聚氰胺化學(xué)反應(yīng)合成法就是以硼酸（H₃BO₃）和三聚氰胺（C₃H₆N₆）為原料，采用聚合前驅(qū)體法合成了六方氮化硼纖維。通過在N₂氣氛中使用硼酸和三聚氰胺作為前驅(qū)體制備六方氮化硼纖維，通過硼酸和三聚氰胺混合法制備氮化硼纖維的前驅(qū)體，并通過化學(xué)反應(yīng)制備出非晶態(tài)氮化硼纖維，并通過高溫?zé)崽幚砉に囍苽涑鼍哂芯B(tài)結(jié)構(gòu)的六方氮化硼纖維。

5、三維打印法

如圖所示，Yu等人發(fā)展了一種纖維納米流體管道，通過三維打印的方法合成纖維素納米纖維/氮化硼納米片復(fù)合材料.其中纖維素納米纖維兼具親水性和疏水性，在擠出過程中會使得纖維素納米纖維和氮化硼納米片重新組裝成連續(xù)和宏觀的層層堆疊結(jié)構(gòu).

6、同軸濕法紡絲法

Lu等人提出了一種同軸濕法紡絲的方法制備氮化硼納米片/聚合物復(fù)合纖維，實(shí)現(xiàn)納米片高度取向。這一過程中發(fā)現(xiàn)了氮化硼納米片的一種新的組裝機(jī)制，利用同軸濕法紡絲在熱拉伸過程中芯層和殼層之間界面處的壓縮作用，可以有效誘導(dǎo)氮化硼納米片在軸向方向上發(fā)生取向，熱導(dǎo)率有明顯提升，是非同軸紡絲熱導(dǎo)率的兩倍多。

氮化硼纖維的應(yīng)用前景

氮化硼纖維具有優(yōu)良的耐高溫性能，優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能，優(yōu)良的介電性能，優(yōu)良的電絕緣性能，優(yōu)良的導(dǎo)熱性能等特性，因此在工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1、增強(qiáng)劑

作為增強(qiáng)劑，它與陶瓷基體復(fù)合后可顯著提高材料的機(jī)械性能，例如制備 BNf/BN、BNf/SiBCN、BNf/Si3N4 和 BNf/SiC 等復(fù)合材料，這些材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗彎強(qiáng)度和韌性，廣泛應(yīng)用于航空航天和高溫工程領(lǐng)域。

2、絕緣材料

此外，氮化硼纖維的熱穩(wěn)定性和電絕緣性能使其在絕緣材料中得到了廣泛應(yīng)用，特別是六方氮化硼纖維，更是許多高性能絕緣組件的重要材料來源。氮化硼纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因其疏水性和親油性，還可以作為油水分離材料，同時(shí)作為催化劑載體、復(fù)合材料增強(qiáng)材料和過濾器，在化學(xué)工業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域展現(xiàn)了多樣化的應(yīng)用潛力。

3、功能材料

在功能材料開發(fā)方面，氮化硼纖維制備的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的纖維網(wǎng)絡(luò)性能，可在特殊環(huán)境中滿足多種復(fù)雜需求。通過進(jìn)一步與陶瓷或其他材料的復(fù)合，氮化硼纖維的應(yīng)用將持續(xù)擴(kuò)展，在工程、化工和電子領(lǐng)域展現(xiàn)更多可能性。

當(dāng)前發(fā)展挑戰(zhàn)與未來研究方向

盡管氮化硼纖維在多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，其發(fā)展仍面臨以下挑戰(zhàn)：

l 工藝成熟度不足：現(xiàn)有制備工藝如靜電紡絲及聚合物轉(zhuǎn)化法的穩(wěn)定性仍需提高，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)中，工藝波動可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能不均。

l 成本控制：制備氮化硼纖維的高成本限制了其在商業(yè)化領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

l 長纖維制備難題：如何突破單晶長纖維的制備技術(shù)瓶頸，是未來研究的重要方向。

以上難點(diǎn)對一些高要求的應(yīng)用，可能構(gòu)成一定的風(fēng)險(xiǎn)。此外，規(guī)模化制備難度大，使得市場上供應(yīng)的氮化硼纖維數(shù)量有限，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的需求。基于此，未來的研究和開發(fā)可以集中在優(yōu)化氮化硼纖維的連續(xù)紡絲工藝開發(fā)、低成本制備等方面。

資料來源：

1、江濤,黃一丹.氮化硼纖維的制備技術(shù)及其研究發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及開發(fā)應(yīng)用[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,2023,44(04):274-302.

2、奚啟清,楊志誠,姚深冬,等.高導(dǎo)熱纖維研究進(jìn)展[J/OL].科學(xué)通報(bào),1-20[2024-12-23].

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