科学网—江苏大学胡盟/燕山大学马梦冬/清华大学武英举等：打破“方向枷锁”，氮化硼陶瓷实现“全方位”性能一致-清华大学出版社学术期刊的博文
已有 6358 次阅读
2026-3-11 09:51
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Hu M, Zhang W, Zhang J, et al. Isotropic hexagonal boron nitride ceramics with high thermal conductivity and strength. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221275
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221275
ResearchGate ： Isotropic hexagonal boron nitride ceramics with high thermal conductivity and strength
基金支持：
本研究由国家自然科学基金（项目号： 52302063 、 92463305 、 52302048 、 52202071 、 52572075 ）、中国博士后科学基金（项目号： 2023M741879 ）、北京市自然科学基金（项目号： JR25004 ）、国家博士后创新人才支持计划（项目号： BX20240307 ）、教育部基础与交叉学科突破计划（项目号： JYB2025XDXM403 ）、河北省科技计划（项目号： 24461901D 、 25361501D ）、中国博士后科学基金会博士后研究人员计划（项目号： GZB20240633 ）、河北省自然科学基金（项目号： E2025203213 ）以及河北省高层次人才基金（项目号： HY2025050006 ）资助。
一、 导读
六方氮化硼（ h BN ）陶瓷块材具有优异的力学性能、绝缘性、耐腐蚀性及介电性能，但其层状原子排列导致块材的性能表现出显著的各向异性。针对这一难题，本研究提出“相变调控”策略：通过放电等离子烧结和热压烧结，利用高温下 c BN 向 h BN 的相转变，构筑出三维互锁的微观结构，实现了氮化硼陶瓷的各向同性。所制备的陶瓷块材在平行和垂直烧结压力方向上表现出高度一致的优异性能：抗压强度达 129 MPa ，弯曲强度达 63 MPa ，室温热导率达 77 W·m -1 ·K -1 。该研究为高端装备的热管理提供了理想材料。
二、 研究背景
h BN 素有“白色石墨”之称，凭借优异的力学性能、绝缘性、耐腐蚀性及介电性能，成为高端装备、航空航天等尖端领域不可或缺的关键材料。然而，这类材料的制备长期面临一个突出难题：在致密烧结过程中，片状 h BN 晶粒易沿压力方向定向排列，致使材料在不同方向上的物理性能差异显著。这种强烈的各向异性，极大地限制了其在复杂工况与高端场景中的稳定应用。传统调控策略（如减小前驱体粒径、优化烧结工艺、增加第二相等）虽能在一定程度上弱化 h BN的织构化程度，但仍然难以实现真正意义上的各向同性，且往往会以牺牲 h BN本征的优异性能为代价。
三、文章亮点
（ 1 ）提出了“相变调控”策略，利用 c BN 在放电等离子烧结和热压烧结过程中的结构相变，成功制备出各向同性 h BN 块材。
（ 2 ）揭示了各向同性氮化硼陶瓷的形成机理：高温下 c BN 颗粒表面发生键合重构，首先形成晶格扭曲的乱层氮化硼（ t BN ）；随着温度进一步升高， t BN 逐步转变为 h BN 。残留在 h BN 层间的 t BN 通过“钉扎效应”有效抑制了晶粒在烧结过程的取向排列，最终构筑出三维互锁的微观结构，实现了氮化硼陶瓷的各向同性（ IOP =1 ）。
（ 3 ）实现了全方位性能一致：该陶瓷在平行和垂直烧结压力方向上表现出高度一致的优异性能：抗压强度达 129 MPa ，弯曲强度达 63 MPa ，室温热导率达 77 W·m -1 ·K -1 。
四、研究结果及结论
以 c BN 为前驱体，通过调控放电等离子烧结温度，研究了其在烧结过程中的相转变行为（图 1 ）。 XRD 分析显示， c BN 在 1500℃ 附近开始向 h BN 转变， 1600℃ 时样品中出现 t BN 的特征峰，至 1800℃ 时 c BN 完全转变为 h BN 相。 1500℃ 烧结样品的 XPS 谱图中出现 π 等离子体特征峰，进一步证实了 sp 2 键合的 h BN 相的生成。此外， 1600BN 与 1800BN 样品的晶粒形貌演变（ FESEM 表征）也直观反映了这一相变过程。上述 c BN→ t BN→ h BN 的相变行为，为通过相变策略制备各向同性 h BN 陶瓷提供了关键的先决条件。
图 1 c BN 到 h BN 的相变。 (a) c BN 前驱体粉末及不同温度烧结块体的 XRD 图谱。 (b,c) c BN 前驱体粉末与 1500BN 样品在 B1 s 和 N1 s 轨道的 XPS 谱图。 (d) c BN 前驱体粉末及不同温度烧结块体的拉曼光谱。 (e) 1600BN 样品的 HRTEM 图像。 (f,g) 1600BN 和 1800BN 样品断面的 FESEM 图像。
利用 c BN 的相转变，在 1800-2200°C 温度范围内成功制备了各向同性 h BN 瓷块体体。图 2 中 XRD 与拉曼光谱结果表明，所合成样品均以 h BN 相为主； IOP 绝对值接近 1 ，证实材料为各向同性，这一结论也得到了 FESEM 表征图像的进一步佐证。值得注意的是，所合成 BN 陶瓷的晶粒尺寸与密度随烧结温度升高发生显著变化，但 IOP 值始终维持在 ±1 附近，未因晶粒长大或密度提升而丧失各向同性。通过对比实验进一步揭示：以 c BN 为原料经热压烧结也可获得各向同性结构，而以 h BN 粉末为原料经等离子烧结的样品呈现显著择优取向（ IOP=65.88 ），由此确认 c BN 前驱体的相变是构筑各向同性 BN 陶瓷的关键。
图 2 (a,b) 分别为烧结 h BN 陶瓷在垂直、平行压力方向的 XRD 图谱。 (c) 烧结 BN 陶瓷的拉曼光谱。 (d) 由烧结 BN 陶瓷断面 FESEM 图像统计得到的 h BN 片层面内横向尺寸分布。 (e) 烧结 h BN 陶瓷的密度和相对密度。 (f) 烧结 h BN 陶瓷及对比实验制备样品的 IOP 值。
图 3 与图 4 结合，系统揭示了各向同性 h BN 陶瓷的微观形成过程及作用机理。透射电镜表征结构表明，高温下 c BN 颗粒表面的 sp 3 键发生断裂并重构为 sp 2 键，首先形成晶格扭曲的 t BN 中间相；随着温度进一步升高， t BN 逐步转变为 h BN ，且部分 t BN 残留在 h BN 层间。这些残留 t BN 通过钉扎效应有效抑制了 h BN 晶粒在压力作用下的择优取向生长，最终使 h BN 片层随机堆叠形成三维互锁的卡屋式微观结构，成功实现了氮化硼陶瓷的结构与性能各向同性。
图 3 各向同性 h BN 陶瓷形成过程示意图。
图 4 c BN→ t BN→ h BN 演化路径的透射电镜表征图像。 (a-d) 1600BN 。 (e-g) 1800BN 。 (h-j) 2200BN 。
图 5 与图 6 分别为各向同性 BN 陶瓷的热学性能与力学性能表征结果。该陶瓷在平行和垂直于烧结压力的两个方向上，热学与力学性能均表现出高度的各向同性。其中 1800BN 样品展现出最优力学性能，抗压强度达 129 MPa 、弯曲强度达 63 MPa ； 2200BN 样品实现最优室温导热性能，导热率达 77 W·m -1 ·K -1 。
图 5 各向同性 BN 陶瓷的热学性能。
图 6 各向同性 BN 陶瓷的力学性能。
五、作者及研究团队简介
胡盟教授（第一作者）， 长期从事新型碳材料与氮化硼材料的理论设计及组织结构调控研究。近年来，主持国家自然科学基金青年基金、德国达姆施塔特工业大学青年学者桥梁基金（Career Bridge Grant）等项目，获德国学术交流中心奖学金（DAAD Fellowship）、德国“洪堡学者”称号、河北省自然科学二等奖。以第一作者等身份发表SCI论文40余篇，申请发明专利4项。
马梦冬（通讯作者） ，副教授，长期从事亚稳碳材料以及结构陶瓷材料方面的研究工作。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（ C 类）、中国博士后面上等项目，入选中国科协“青年人才托举工程”计划、“澳门青年学者”计划，河北省燕赵黄金台聚才计划。以第一作者（含共同一作）及通讯作者发表学术论文 30 余篇，他引 1800 余次。
武英举（通讯作者） ，助理研究员，长期聚焦于新型亚稳氮化硼（碳）材料和塑性陶瓷材料的设计、合成及机理研究。近年来主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目 C 类、重大研究计划集成项目课题、中国博士后科研业绩评估考核一档资助、国家资助博士后研究人员计划 B 档资助、中国博士后面上项目、等，至今已发表 SCI 论文 48 篇，申请国内外发明专利 15 项。
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1525306.html
上一篇： 魏锡均/周光敏等研究论文：非晶补锂通道有效再生失效LiCoO2正极材料 下一篇： 符冬菊/李波桥/刘军等综述：磷酸锰铁锂材料设计、进展和挑战