氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.5%的硼和气6.4%的氮,具有四种不同的变体:六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。
第一节 六方氮化硼和菱方氮化硼的结构
氮原子和硼原子采取不同杂化方式互相作用,可形成不同结构的氮化硼晶体。当氮原子和硼原子以SP2方式杂化后,由于键角为120O,成键后形成与石墨类似 的平面六角网状结构分子,这种大的平面网状分子采取不同的空间堆垛方式后,又可形成不同的结构--六方氮化硼(HBN)和菱方氮化硼(RBN)。
一、 六方氮化硼
六方氮化硼具有石墨类似的结构,外观为白色,因而有时也称该种氮化朋为类石墨氮化硼或白石墨。
六方氮化硼的结构,层状排列为AA、,AA,……类型,晶格常数α=0.251±0.002nm,c=0.670±0.004nm,密度ρ为2.25g/cm3。
六方氮化硼在空气中非常稳定,能耐2270K高温,在3270K时升华,氮化硼具有良好的绝热性、导热性和化学稳定性,不溶于冷水,水煮沸时水解非常缓慢 并产生少量的硼酸和氢;与弱酸和强碱在室温下均不反应,微溶于热酸,用熔融的氢氧化钠、氢氧化钾处理才能分解,利用这一性质,可以将立方氮化硼从六方氮化 硼中分离出来。
二、菱方氮化硼
菱方氮化硼的结构,层状排列为ABCABC……类型,晶格常数α=0.22556nm,c=0.4175nm,密度ρ为2.25g/cm3。
菱方氮化硼具有与六方氮化硼相同的性质,不能用物理方法将其分开。层间的ABCABC……排列更有利于向立方氮化硼转变,因而有人用菱方氮化硼在冲击压缩中直接得到了立方氮化硼。
第二节 立方氮化硼与纤锌矿氮化硼的结构
一、 立方氮化硼
氮化硼晶体除具有六方氮化硼和菱方氮化硼两种结构外,还具有两种采取SP 3杂化后形成的类似金刚石结构的氮化硼,它们是具有闪锌矿结构的立方氮化硼和具有纤锌矿结构的六方氮化硼(WBN)。
立方氮化硼具有类似金刚石的晶体结构,不仅晶格常数相似(金刚石为0.3567nm,立方氮化硼为0.3615nm),而且晶体中的结合键亦基本相同,即 都是沿四方面体杂体中的共价键,所不同的是金刚石中的结合纯属碳原子之间的共价键,而立方氮化硼晶体中的结合键则是硼、氮异类原子间的共价结合,此外尚有 一定的弱离子键。在理想的立方氮化硼晶体中,所有四个B-N键的键长彼此皆相等(0.157nm) 键与键键的夹角为109o5'。
立方氮化硼晶体每一层是按紧密球堆积的原则构成的,且是同类原子所组成的,由硼原子构成的单层与由氮原子构成的单层相互交替。立方氮化硼格子具有 aa'bb'cc'aa'bb'的连续的层堆垛.它的晶格常数为3615±0.0001nm,密度为3.48g/cm3。
立方氮化硼最典型的几何形状是正四面体晶面和负四面体晶面的结合,常见的形状有:四面体、假八面体,假六面体(扁平的四面体)。
根据立方氮化硼的B、N表面腐蚀的显微结构,四面体的立方氮化硼晶体可分为两种:一种是硼四面体,即四个表面是硼表面;另一种是氮四面体,即四个表面是氮表面。硼
二、 纤锌氮化硼
纤锌矿氮化硼属于六方晶体,其结构如图1-1所示。纤锌矿氮化硼的结构都是由成对的原子层组成的,一个平面是硼原子,另一个平面是氮原子。如果只看到最近 邻原子,不可能说出是立方结构还是六方结构,但远到次近邻原子时,就能区别它们的结构。这两种结构中相邻键长接近相等。纤锌氮化硼的晶格常数a= 0.255±0.002nm, c=0