为“电火箭”装颗“陶瓷心脏”——氮化硼材料
随着中国空间站“天和”核心舱的发射入轨，霍尔电推进器的“陶瓷心脏”成为人们的关注热点。这颗“陶瓷心脏”就是用白石墨复合材料打造的——氮化硼材料
挑战太空，人类一直使用化学动力，即通过燃烧化学推进剂来产生动力。航天器发射入轨后，也需要动力来支持轨道和姿态的调整，所以必须携带化学燃料或者在轨补加燃料。而携带化学燃料不仅加大了发射成本，而且在一定程度上影响着航天器的空间任务能力。在这样的背景下，电推进技术逐步走向应用的前台。我国空间电推技术研究起步于20世纪60年代，经过几十年的技术攻关终于取得了多项技术突破。2020年1月，我国首款20千瓦大功率霍尔电推进器成功完成点火试验，并达到了国际先进水平。
“天和”核心舱配置的4台霍尔电推进器，利用核心舱太阳能翼产生的电能，为空间站轨道维持和安全飞行提供动力支持。霍尔电推进器是等离子体推力器的一种，其原理是利用强电场将离子加速喷出，通过其反作用力来进行姿态调整或者轨道提升。霍尔电推进器具有推力小、比冲高的特点。比冲是评价火箭推进剂性能的技术参数，比冲越高则表示在一定条件下推进剂产生的速度增量越大。
空间站在轨运行，由于微重力以及近地空间稀薄大气阻力的影响，轨道高度的衰减是不可避免的。不过，不需要多大的推力就能做到轨道保持。电推力虽小但可以精准调控，以提升任务执行能力。高比冲则可以大幅减少航天器携带的化学燃料，以扩展空间任务的范围等。
在霍尔电推进器中，等离子体的电离和加速需要在放电腔中完成。霍尔电推进器需要一颗坚强的“心脏”，来产生精确可调的推力。打造这颗坚强的“心脏”，必须满足耐高温、抗热震、耐离子溅射、绝缘性好等条件，才能胜任放电腔的严酷工作。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研制的氮化硼陶瓷基复合材料，正好满足了电推进器对放电腔材料的特殊要求。
不同的氮化硼变体具有不同的特点和应用。以六方晶型的白石墨为例，氮原子和硼原子组成的六边形网状结构与石墨中的碳原子六边形网状结构极为相似，因此在某些方面具有相近的性质，如二者都具有耐热性、耐磨性、润滑性等特性；但白石墨还具有一些独特的性质，如石墨既能导热也能导电，而白石墨能导热但不能导电。
氮化硼各晶型结构示意图
1.稳定性
对大多数金属熔体，如钢、不锈钢、AL、FE、Ge、Bi、Si、Cu、等既不润湿又不发生作用。因此，可用作熔炼蒸发金属的坩锅、舟皿、液态金属输送管，火箭喷口，大功率器件底座，用作高温电偶保护，熔化金属的管道、泵零件、铸钢的模具以及高温电绝缘材料等。
2.耐热耐蚀性
可以制造高温构件、火箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏蔽、磁流体发电机的耐蚀件等。
3.绝缘性
广泛应用于高压高频电及等离子弧的绝缘体以及各种加热器的绝缘子，加热管套管和高温、高频、高压绝缘散热部件，高频应用电炉的材料。
4.热导性
用作制备砷化镓、磷化镓、磷化铟的坩锅，半导体封装散热底板、移相器的散热棒，行波管收集极的散热管，半导体和集成电极的p型扩散源和微波窗口。
5.屏蔽性
在原子反应堆中，用作中子吸收材料和屏蔽材料。还可用作红外、微波偏振器，红外线滤光片，激光仪的光路通道，超高压压力传递材料等。
6.润滑剂
可以作为自润滑轴承的组分。氮化硼的很多物理性能同石墨相似，因而有白石墨之称。它与云母、滑石粉、硅酸盐、脂肪酸等统称为白色固体润滑剂。作为润滑剂使用，氮化硼可以分散在耐热润滑油脂、水或溶剂中;喷涂在摩擦表面上，待溶剂挥发而形成干膜；填充在树脂、陶瓷、金属表面层作为耐高温自润滑复合材料。用于宇航工程上，也可把氮化硼粉末直接涂在导轨面上。氮化硼悬浮油呈白色或黄色。因而在纺织机械上不污染纤维制品，可大量用在合成纤维纺织机械润滑上。
7.添加剂
由氮化硼加工制成的氮化硼纤维，为中模数高功能纤维，是一种无机合成工程材料，可广泛用于化学工业，纺织工业、宇航技术和其它尖端工业部门。
4.1 硼砂-氯化铵法
其反应方程式为：
Na2B4O7+2(NH2)2CO→4BN+Na2O+4H2O+2CO2
Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O
4.2 硼砂-尿素法
制备过程中涉及的反应式为：
Na2B4O7+2(NH2)2CO=4BN+Na2O+4H2O+2CO2
4.3 硼砂-三聚氰氨法
硼砂与三聚氰胺的反应式为：
3Na2B4O7+2(NH2CN)3=12BN+3Na2O+6H2O+6C02
4.4 高频等离子法
4.5 模板法
硬模板法是制备介孔氮化硼材料常用方法。利用多孔固体作为模板，在其孔道中浸渍氮化硼前驱体，经热解合成氮化硼， 然后除去模板得到对应孔结构的多孔氮化硼材料。
软模板法是最早制备有序介孔材料的方法。以两亲性表面活性剂构成的超分子聚集体作为模板，氮化硼前驱体和模板之间通过非共价键作用力作用进行自组装，再热解得到多孔氮化硼材料。
元素置换法是在高温条件下，利用硼、氮与碳模板之间的置换反应得到多孔氮化硼材料。产物中的碳含量可通过对反应温度的控制来调整，反应温度越高，碳含量越低。此方法操作简单，污染小，但能耗较高。
氮化硼具有许多优异的特性：
氮化硼的导热性能很强，热膨胀系数很低，绝缘性能很好，同时还耐腐蚀和耐高温。六方氮化硼导热系数为56.94瓦每米·摄氏度，立方氮化硼的导热系数为79.54瓦每米·摄氏度，仅次于金刚石。国外的一项研究显示，单层六方氮化硼在室温下的导热系数高达751瓦每米·摄氏度，有望成为下一代柔性电子器件散热的首选材料。
对于高密度和大功率电子产品来说，做好热管理是一个急迫的问题。比如，随着LED技术的普及，“农业工厂”应运而生。为了弥补光照的不足，用LED植物照射灯代替太阳光就成了一个成熟的解决方案。
尽管与其他照明设备相比，LED灯具有很高的能量转换效率，但理论上总的电光转换效率仍只有54%。这就意味着LED植物照射灯仍会有大量的热能释放。特别是当LED芯片温度超过140°C时，其寿命的缩短就会成为一个不容忽视的问题。如何为LED灯降温，六方氮化硼再次走进科学家的视野。用六方氮化硼作为填料来制作具有优良电绝缘性和化学稳定性的导热塑料，可以提高其导热性能。
