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”成為人們的關注熱點。這顆“陶瓷心臟”就是用白石墨復合材料打造的——氮化硼材料
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，電推進技術逐步走向應用的前臺。我國空間電推技術研究起步于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的技術攻關終于取得了多項技術突破。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?；魻栯娡七M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。
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)狀結構與石墨中的碳原子六邊形網(wǎng)狀結構極為相似，因此在某些方面具有相近的性質，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，如石墨既能導熱也能導電，而白石墨能導熱但不能導電。
氮化硼各晶型結構示意圖
1.穩(wěn)定性
對大多數(shù)金屬熔體，如鋼、不銹鋼、AL、FE、Ge、Bi、Si、Cu、等既不潤濕又不發(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，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
可以制造高溫構件、火箭燃燒室內(nèi)襯、宇宙飛船的熱屏蔽、磁流體發(fā)電機的耐蝕件等。
3.絕緣性
廣泛應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，高頻應用電爐的材料。
4.熱導性
用作制備砷化鎵、磷化鎵、磷化銦的坩鍋，半導體封裝散熱底板、移相器的散熱棒，行波管收集極的散熱管，半導體和集成電極的p型擴散源和微波窗口。
5.屏蔽性
在原子反應堆中，用作中子吸收材料和屏蔽材料。還可用作紅外、微波偏振器，紅外線濾光片，激光儀的光路通道，超高壓壓力傳遞材料等。
6.潤滑劑
可以作為自潤滑軸承的組分。氮化硼的很多物理性能同石墨相似，因而有白石墨之稱。它與云母、滑石粉、硅酸鹽、脂肪酸等統(tǒng)稱為白色固體潤滑劑。作為潤滑劑使用，氮化硼可以分散在耐熱潤滑油脂、水或溶劑中;噴涂在摩擦表面上，待溶劑揮發(fā)而形成干膜；填充在樹脂、陶瓷、金屬表面層作為耐高溫自潤滑復合材料。用于宇航工程上，也可把氮化硼粉末直接涂在導軌面上。氮化硼懸浮油呈白色或黃色。因而在紡織機械上不污染纖維制品，可大量用在合成纖維紡織機械潤滑上。
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，是一種無機合成工程材料，可廣泛用于化學工業(yè)，紡織工業(yè)、宇航技術和其它尖端工業(yè)部門。
4.1 硼砂-氯化銨法
其反應方程式為：
Na2B4O7+2(NH2)2CO→4BN+Na2O+4H2O+2CO2
Na2B4O7+2NH4Cl+2NH3→4BN+2NaCl+7H2O
4.2 硼砂-尿素法
制備過程中涉及的反應式為：
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體，經(jīng)熱解合成氮化硼， 然后除去模板得到對應孔結構的多孔氮化硼材料。
軟模板法是最早制備有序介孔材料的方法。以兩親性表面活性劑構成的超分子聚集體作為模板，氮化硼前驅體和模板之間通過非共價鍵作用力作用進行自組裝，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得到多孔氮化硼材料。產(chǎn)物中的碳含量可通過對反應溫度的控制來調(diào)整，反應溫度越高，碳含量越低。此方法操作簡單，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。
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。
盡管與其他照明設備相比，LED燈具有很高的能量轉換效率，但理論上總的電光轉換效率仍只有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。
