從鉛筆芯到乾電池，從耐火材料到潤滑材料……我們見識了石墨的風采。石墨是碳的一種同素異形體，為灰黑色的不透明固體。白石墨難道是把石墨“染白”了嗎？當然不是。白石墨的化學名稱為六方氮化硼（HBN），是一種新型陶瓷材料。它在化學組成上與石墨沒有半點關係，只是在結構和效能上與石墨非常類似，並且由於其本身為白色，因此才有白石墨的別稱。
▲ 六方氮化硼（右）與石墨（左）結構模型
氮化硼是由氮原子和硼原子構成的晶體，除了常見的六方氮化硼外，還有立方氮化硼（CBN）、菱方氮化硼（RBN）、纖鋅礦型氮化硼（WBN）等變體，科學家甚至還發現了與石墨烯性質類似的二維氮化硼晶體。
不同的氮化硼變體具有不同的特點和應用。以六方晶型的白石墨為例，氮原子和硼原子組成的六邊形網狀結構與石墨中的碳原子六邊形網狀結構極為相似，因此在某些方面具有相近的性質，如二者都具有耐熱性、耐磨性、潤滑性等特性；但白石墨還具有一些獨特的性質，如石墨既能導熱也能導電，而白石墨能導熱但不能導電。
順滑與美麗，白石墨的魅力所在
愛美之心，人皆有之。你可知道，為了使你變美，白石墨出力不小呢。許多化妝品中都有白石墨的身影，充當調節劑和填充劑，並且具有很高的安全性。白石墨的六角形晶體結構使其具有順滑的特性，並且具有良好的附著性，將其用於化妝品可以給人以柔滑的感覺，並可延長化妝品在臉上的停留時間。
白石墨還具有很好的光學擴散功能，這一點對於保持美容效果尤為重要。在常見的“柔光”粉末中，利用白石墨的光散射特性，讓皺紋和色斑顯得模糊一些，以使整個臉部變得平滑起來。白石墨在化妝品中還可以吸收多餘的面部油脂，並可以使顏料均勻地分散開來。
其實，白石墨本身就是一種效能優異的潤滑劑。白石墨的摩擦係數極低，潤滑效能十分優異，尤其是在高溫條件下仍然具有優良的自潤滑能力，因此被廣泛用作潤滑劑、脫模劑以及塗層塗料等。
手機燙了，來點氮化硼如何
以智慧手機為代表的電子產品，已經成為我們日常生活的標配之一，如何為手機散熱就成為了一個大問題。
氮化硼的導熱效能很強，熱膨脹係數很低，絕緣效能很好，同時還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導熱係數為56.94瓦每米·攝氏度，立方氮化硼的導熱係數為79.54瓦每米·攝氏度，僅次於金剛石。國外的一項研究顯示，單層六方氮化硼在室溫下的導熱係數高達751瓦每米·攝氏度，有望成為下一代柔性電子器件散熱的首選材料。據悉，某遊戲增強版手機採用了六方氮化硼散熱材料，可為處理器、充電晶片以及顯示螢幕等元件進行高效率的散熱。
對於高密度和大功率電子產品來說，做好熱管理是一個急迫的問題。比如，隨著LED技術的普及，“農業工廠”應運而生。為了彌補光照的不足，用LED植物照射燈代替太陽光就成了一個成熟的解決方案。儘管與其他照明裝置相比，LED燈具有很高的能量轉換效率，但理論上總的電光轉換效率仍只有54%。這就意味著LED植物照射燈仍會有大量的熱能釋放。特別是當LED晶片溫度超過140°C時，其壽命的縮短就會成為一個不容忽視的問題。如何為LED燈降溫，六方氮化硼再次走進科學家的視野。用六方氮化硼作為填料來製作具有優良電絕緣性和化學穩定性的導熱塑膠，可以提高其導熱效能。
為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”
隨著中國空間站“天和”核心艙的發射入軌，霍爾電推進器的“陶瓷心臟”成為人們的關注熱點。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨複合材料打造的。
挑戰太空，人類一直使用化學動力，即透過燃燒化學推進劑來產生動力。航天器發射入軌後，也需要動力來支援軌道和姿態的調整，所以必須攜帶化學燃料或者在軌補加燃料。而攜帶化學燃料不僅加大了發射成本，而且在一定程度上影響著航天器的空間任務能力。在這樣的背景下，電推進技術逐步走向應用的前臺。我國空間電推技術研究起步於20世紀60年代，經過幾十年的技術攻關終於取得了多項技術突破。2020年1月，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進器成功完成點火試驗，並達到了國際先進水平。
“天和”核心艙配置的4臺霍爾電推進器，利用核心艙太陽能翼產生的電能，為空間站軌道維持和安全飛行提供動力支援。霍爾電推進器是等離子體推力器的一種，其原理是利用強電場將離子加速噴出，透過其反作用力來進行姿態調整或者軌道提升。霍爾電推進器具有推力小、比衝高的特點。比衝是評價火箭推進劑效能的技術引數，比衝越高則表示在一定條件下推進劑產生的速度增量越大。
空間站在軌執行，由於微重力以及近地空間稀薄大氣阻力的影響，軌道高度的衰減是不可避免的。不過，不需要多大的推力就能做到軌道保持。電推力雖小但可以精準調控，以提升任務執行能力。高比衝則可以大幅減少航天器攜帶的化學燃料，以擴充套件空間任務的範圍等。
在霍爾電推進器中，等離子體的電離和加速需要在放電腔中完成。霍爾電推進器需要一顆堅強的“心臟”，來產生精確可調的推力。打造這顆堅強的“心臟”，必須滿足耐高溫、抗熱震、耐離子濺射、絕緣性好等條件，才能勝任放電腔的嚴酷工作。中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心研製的氮化硼陶瓷基複合材料，正好滿足了電推進器對放電腔材料的特殊要求。
像金剛石一樣硬起來
以順滑著稱的白石墨，也能硬起來。20世紀50年代，科學家透過改變白石墨的結構，合成了一種立方氮化硼的單晶體。它是繼人造金剛石問世之後的又一種超硬材料，硬度略低於金剛石，但耐高溫性要遠遠優於金剛石，尤其對鐵系金屬元素具有很好的化學穩定性。立方氮化硼的誕生無疑為磨削加工帶來了新的希望。
不過，要完成這樣的轉變，需要在極其嚴苛的條件下才能奏效。要把六方氮化硼轉化為立方氮化硼，不僅需要特殊的觸媒材料，還需要壓力為3000～8000兆帕、溫度為800～1900℃的特殊條件。
20世紀70年代，聚晶立方氮化硼（PCBN）問世，它既保留了立方氮化硼的較高硬度、化學惰性以及高溫下的熱穩定性，同時又避免了單晶立方氮化硼的顆粒較小，很難製成刀具的弊端，以優異的切削效能應用於多領域的切削加工。
聚晶立方氮化硼的硬度很高，僅次於金剛石的硬度；抗彎強度和斷裂韌性介於硬質合金和陶瓷之間；熱穩定性要高於人造金剛石，在1300℃時仍可以進行切削作業；在1200～1300℃高溫條件下不易與鐵系材料發生化學作用。
以“硬”聞名的立方氮化硼，用途之一是製作砂輪、油石之類的磨具，用途之二就是製作鑽頭、車刀、絞刀、銑刀之類的切削工具。特別是用於加工淬硬鋼、耐磨鑄鐵、鈦合金等一類難加工材料時具有一定優勢，並且還非常適合用於數控機床加工。
絕活特用，氮化硼前景看好
基於矽的半導體工業，讓人們深切感受到了現代電子產品的魅力。然而，用矽半導體制作的電子器件難以適應高溫等極端條件的挑戰。在這樣的背景下，白石墨具有的寬頻隙、高熱導率、高電阻率、高遷移率等特性引起了科學家的重視。
特別是白石墨的衍生產品立方氮化硼，有望成為第三代半導體材料。有研究機構用氮化硼材料製成了高溫半導體PN接面器件，在650℃條件下能夠正常工作。這就為製造能適應極端條件的電子器件拓展了視角，從而為半導體工業帶來了新的希望。
用氮化硼材料製備能耐受高溫、高頻、大功率、高輻射等極端條件的電子器件，就有可能解決許多特殊場合的應用難題。近年來，氮化硼薄膜材料的製備已成為半導體材料的一個研究熱點。由於氮化硼薄膜具有高硬度和抗熱性，並且在從紫外到遠紅外的整個波段都具有高透過率，因此適合用作大功率鐳射器和探測器的視窗材料。
氮化硼奈米管的合成更是為氮化硼材料的高科技應用創造了機會。據悉，氮化硼奈米管耐熱絕緣、抗氧化，並且具有很強的彈性和韌性，有望在航空、航天等特殊行業獲得應用。有研究機構計劃將氮化硼奈米管應用於鋰硫電池以提高其效能，促進其商業化。
