“白石墨”　不是石墨，勝似石墨

蘇更林

從鉛筆芯到干電池，從耐火材料到潤滑材料……我們見識(shí)了石墨的風(fēng)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(dāng)然不是。白石墨的化學(xué)名稱為六方氮化硼（HBN），是一種新型陶瓷材料。它在化學(xué)組成上與石墨沒有半點(diǎn)關(guān)系，只是在結(jié)構(gòu)和性能上與石墨非常類似，并且由于其本身為白色，因此才有白石墨的別稱。

氮化硼是由氮原子和硼原子構(gòu)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(xué)家甚至還發(fā)現(xiàn)了與石墨烯性質(zhì)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(diǎn)和應(yīng)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與石墨中的碳原子六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)極為相似，因此在某些方面具有相近的性質(zhì)，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(dú)特的性質(zhì)，如石墨既能導(dǎo)熱也能導(dǎo)電，而白石墨能導(dǎo)熱但不能導(dǎo)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(dāng)調(diào)節(jié)劑和填充劑，并且具有很高的安全性。白石墨的六角形晶體結(jié)構(gòu)使其具有順滑的特性，并且具有良好的附著性，將其用于化妝品可以給人以柔滑的感覺，并可延長化妝品在臉上的停留時(shí)間。

白石墨還具有很好的光學(xué)擴(kuò)散功能，這一點(diǎn)對(duì)于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(gè)臉部變得平滑起來。白石墨在化妝品中還可以吸收多余的面部油脂，并可以使顏料均勻地分散開來。

其實(shí)，白石墨本身就是一種性能優(yōu)異的潤滑劑。白石墨的摩擦系數(shù)極低，潤滑性能十分優(yōu)異，尤其是在高溫條件下仍然具有優(yōu)良的自潤滑能力，因此被廣泛用作潤滑劑、脫模劑以及涂層涂料等。

手機(jī)燙了，來點(diǎn)氮化硼如何

以智能手機(jī)為代表的電子產(chǎn)品，已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹臉?biāo)配之一，如何為手機(jī)散熱就成為了一個(gè)大問題。

氮化硼的導(dǎo)熱性能很強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)很低，絕緣性能很好，同時(shí)還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導(dǎo)熱系數(shù)為56.94瓦每米·攝氏度，立方氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)為79.54瓦每米·攝氏度，僅次于金剛石。國外的一項(xiàng)研究顯示，單層六方氮化硼在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)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(jù)悉，某游戲增強(qiáng)版手機(jī)采用了六方氮化硼散熱材料，可為處理器、充電芯片以及顯示屏幕等元件進(jìn)行高效率的散熱。

對(duì)于高密度和大功率電子產(chǎn)品來說，做好熱管理是一個(gè)急迫的問題。比如，隨著LED技術(shù)的普及，“農(nóng)業(yè)工廠”應(yīng)運(yùn)而生。為了彌補(bǔ)光照的不足，用LED植物照射燈代替太陽光就成了一個(gè)成熟的解決方案。盡管與其他照明設(shè)備相比，LED燈具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，但理論上總的電光轉(zhuǎn)換效率仍只有54%。這就意味著LED植物照射燈仍會(huì)有大量的熱能釋放。特別是當(dāng)LED芯片溫度超過140°C時(shí)，其壽命的縮短就會(huì)成為一個(gè)不容忽視的問題。如何為LED燈降溫，六方氮化硼再次走進(jìn)科學(xué)家的視野。用六方氮化硼作為填料來制作具有優(yōu)良電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性的導(dǎo)熱塑料，可以提高其導(dǎo)熱性能。

為“電火箭”裝顆“陶瓷心臟”

隨著中國空間站“天和”核心艙的發(fā)射入軌，霍爾電推進(jìn)器的“陶瓷心臟”成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復(fù)合材料打造的。

挑戰(zhàn)太空，人類一直使用化學(xué)動(dòng)力，即通過燃燒化學(xué)推進(jìn)劑來產(chǎn)生動(dòng)力。航天器發(fā)射入軌后，也需要?jiǎng)恿碇С周壍篮妥藨B(tài)的調(diào)整，所以必須攜帶化學(xué)燃料或者在軌補(bǔ)加燃料。而攜帶化學(xué)燃料不僅加大了發(fā)射成本，而且在一定程度上影響著航天器的空間任務(wù)能力。在這樣的背景下，電推進(jìn)技術(shù)逐步走向應(yīng)用的前臺(tái)。我國空間電推技術(shù)研究起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的技術(shù)攻關(guān)終于取得了多項(xiàng)技術(shù)突破。2020年1月，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進(jìn)器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)，并達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

“天和”核心艙配置的4臺(tái)霍爾電推進(jìn)器，利用核心艙太陽能翼產(chǎn)生的電能，為空間站軌道維持和安全飛行提供動(dòng)力支持。霍爾電推進(jìn)器是等離子體推力器的一種，其原理是利用強(qiáng)電場將離子加速噴出，通過其反作用力來進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或者軌道提升。霍爾電推進(jìn)器具有推力小、比沖高的特點(diǎn)。比沖是評(píng)價(jià)火箭推進(jìn)劑性能的技術(shù)參數(shù)，比沖越高則表示在一定條件下推進(jìn)劑產(chǎn)生的速度增量越大。

空間站在軌運(yùn)行，由于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(zhǔn)調(diào)控，以提升任務(wù)執(zhí)行能力。高比沖則可以大幅減少航天器攜帶的化學(xué)燃料，以擴(kuò)展空間任務(wù)的范圍等。

在霍爾電推進(jìn)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(jìn)器需要一顆堅(jiān)強(qiáng)的“心臟”，來產(chǎn)生精確可調(diào)的推力。打造這顆堅(jiān)強(qiáng)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(yán)酷工作。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，正好滿足了電推進(jìn)器對(duì)放電腔材料的特殊要求。