隨著中國(guó)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——氮化硼材料
挑戰(zhàn)太空，人類(lèi)一直使用化學(xué)動(dòng)力，即通過(guò)燃燒化學(xué)推進(jìn)劑來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。航天器發(fā)射入軌后，也需要?jiǎng)恿?lái)支持軌道和姿態(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(guó)空間電推技術(shù)研究起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)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(guó)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(guó)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(yáng)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(chǎng)將離子加速?lài)姵觯ㄟ^(guò)其反作用力來(lái)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(guò)，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(lái)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(mǎn)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(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，正好滿(mǎn)足了電推進(jìn)器對(duì)放電腔材料的特殊要求。
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(rùn)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。
氮化硼各晶型結(jié)構(gòu)示意圖
1.穩(wěn)定性
對(duì)大多數(shù)金屬熔體，如鋼、不銹鋼、AL、FE、Ge、Bi、Si、Cu、等既不潤(rùn)濕又不發(fā)生作用。因此，可用作熔煉蒸發(fā)金屬的坩鍋、舟皿、液態(tài)金屬輸送管，火箭噴口，大功率器件底座，用作高溫電偶保護(hù)，熔化金屬的管道、泵零件、鑄鋼的模具以及高溫電絕緣材料等。
2.耐熱耐蝕性
可以制造高溫構(gòu)件、火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發(fā)電機(jī)的耐蝕件等。
3.絕緣性
廣泛應(yīng)用于高壓高頻電及等離子弧的絕緣體以及各種加熱器的絕緣子，加熱管套管和高溫、高頻、高壓絕緣散熱部件，高頻應(yīng)用電爐的材料。
4.熱導(dǎo)性
用作制備砷化鎵、磷化鎵、磷化銦的坩鍋，半導(dǎo)體封裝散熱底板、移相器的散熱棒，行波管收集極的散熱管，半導(dǎo)體和集成電極的p型擴(kuò)散源和微波窗口。
5.屏蔽性
在原子反應(yīng)堆中，用作中子吸收材料和屏蔽材料。還可用作紅外、微波偏振器，紅外線(xiàn)濾光片，激光儀的光路通道，超高壓壓力傳遞材料等。
6.潤(rùn)滑劑
可以作為自潤(rùn)滑軸承的組分。氮化硼的很多物理性能同石墨相似，因而有白石墨之稱(chēng)。它與云母、滑石粉、硅酸鹽、脂肪酸等統(tǒng)稱(chēng)為白色固體潤(rùn)滑劑。作為潤(rùn)滑劑使用，氮化硼可以分散在耐熱潤(rùn)滑油脂、水或溶劑中;噴涂在摩擦表面上，待溶劑揮發(fā)而形成干膜；填充在樹(shù)脂、陶瓷、金屬表面層作為耐高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。用于宇航工程上，也可把氮化硼粉末直接涂在導(dǎo)軌面上。氮化硼懸浮油呈白色或黃色。因而在紡織機(jī)械上不污染纖維制品，可大量用在合成纖維紡織機(jī)械潤(rùn)滑上。
7.添加劑
由氮化硼加工制成的氮化硼纖維，為中模數(shù)高功能纖維，是一種無(wú)機(jī)合成工程材料，可廣泛用于化學(xué)工業(yè)，紡織工業(yè)、宇航技術(shù)和其它尖端工業(yè)部門(mén)。
4.1 硼砂-氯化銨法
其反應(yīng)方程式為：
Na2B4O7+2(NH2)2CO→4BN+Na2O+4H2O+2CO2
Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O
4.2 硼砂-尿素法
制備過(guò)程中涉及的反應(yīng)式為：
Na2B4O7+2(NH2)2CO=4BN+Na2O+4H2O+2CO2
4.3 硼砂-三聚氰氨法
硼砂與三聚氰胺的反應(yīng)式為：
3Na2B4O7+2(NH2CN)3=12BN+3Na2O+6H2O+6C02
4.4 高頻等離子法
4.5 模板法
硬模板法是制備介孔氮化硼材料常用方法。利用多孔固體作為模板，在其孔道中浸漬氮化硼前驅(qū)體，經(jīng)熱解合成氮化硼， 然后除去模板得到對(duì)應(yīng)孔結(jié)構(gòu)的多孔氮化硼材料。
軟模板法是最早制備有序介孔材料的方法。以?xún)捎H性表面活性劑構(gòu)成的超分子聚集體作為模板，氮化硼前驅(qū)體和模板之間通過(guò)非共價(jià)鍵作用力作用進(jìn)行自組裝，再熱解得到多孔氮化硼材料。
元素置換法是在高溫條件下，利用硼、氮與碳模板之間的置換反應(yīng)得到多孔氮化硼材料。產(chǎn)物中的碳含量可通過(guò)對(duì)反應(yīng)溫度的控制來(lái)調(diào)整，反應(yīng)溫度越高，碳含量越低。此方法操作簡(jiǎn)單，污染小，但能耗較高。
氮化硼具有許多優(yōu)異的特性：
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(guó)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。
對(duì)于高密度和大功率電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，做好熱管理是一個(gè)急迫的問(wèn)題。比如，隨著LED技術(shù)的普及，“農(nóng)業(yè)工廠(chǎng)”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(yáng)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(guò)140°C時(shí)，其壽命的縮短就會(huì)成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如何為L(zhǎng)ED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(lái)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。
