“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(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(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特的性質(zhì)，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(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間。

白石墨還具有很好的光學擴散功能，這一點對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，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。

手機燙了，來點氮化硼如何

以智能手機為代表的電子產(chǎn)品，已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹臉伺渲唬绾螢槭謾C散熱就成為了一個大問題。

氮化硼的導熱性能很強，熱膨脹系數(shù)很低，絕緣性能很好，同時還耐腐蝕和耐高溫。六方氮化硼導熱系數(shù)為56.94瓦每米·攝氏度，立方氮化硼的導熱系數(shù)為79.54瓦每米·攝氏度，僅次于金剛石。國外的一項研究顯示，單層六方氮化硼在室溫下的導熱系數(shù)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(jù)悉，某游戲增強版手機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行高效率的散熱。

對于高密度和大功率電子產(chǎn)品來說，做好熱管理是一個急迫的問題。比如，隨著LED技術(shù)的普及，“農(nóng)業(yè)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。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植物照射燈仍會有大量的熱能釋放。特別是當LED芯片溫度超過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制作具有優(yōu)良電絕緣性和化學穩(wěn)定性的導熱塑料，可以提高其導熱性能。

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，霍爾電推進器的“陶瓷心臟”成為人們的關(guān)注熱點。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復合材料打造的。

挑戰(zhàn)太空，人類一直使用化學動力，即通過燃燒化學推進劑來產(chǎn)生動力。航天器發(fā)射入軌后，也需要動力來支持軌道和姿態(tài)的調(diào)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(fā)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(shù)逐步走向應用的前臺。我國空間電推技術(shù)研究起步于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的技術(shù)攻關(guān)終于取得了多項技術(shù)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，并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(chǎn)生的電能，為空間站軌道維持和安全飛行提供動力支持。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，通過其反作用力來進行姿態(tài)調(diào)整或者軌道提升。霍爾電推進器具有推力小、比沖高的特點。比沖是評價火箭推進劑性能的技術(shù)參數(shù)，比沖越高則表示在一定條件下推進劑產(chǎn)生的速度增量越大。

空間站在軌運行，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調(diào)控，以提升任務執(zhí)行能力。高比沖則可以大幅減少航天器攜帶的化學燃料，以擴展空間任務的范圍等。

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?；魻栯娡七M器需要一顆堅強的“心臟”，來產(chǎn)生精確可調(diào)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沈陽材料科學國家研究中心研制的氮化硼陶瓷基復合材料，正好滿足了電推進器對放電腔材料的特殊要求。