概述

硼化鉿(HfB₂)作為超高溫導(dǎo)電陶瓷材料，具有高熔點(diǎn)，高電導(dǎo)率等優(yōu)異特性。其熔點(diǎn)超高，能夠達(dá)到3380℃，還具有高彈性模量與耐腐蝕性，是優(yōu)異的超高溫結(jié)構(gòu)材料^[1-2]。一般情況下，商售硼化鉿表現(xiàn)為灰色至灰黑色粉末，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

合成工藝

硼化鉿可以通過(guò)以下幾種方法合成：

方法一

采用碳熱還原法，在氬氣氣氛下，1750℃保溫1h制備出硼化鉿粉體，反應(yīng)物HfO₂， B₂O₃和C的物質(zhì)的量比為1:1:10，其中HfO₂以凝膠形式加入，C分別以活性炭和碳纖維形式 加入，聚乙二醇(PEG)作分散劑，乙醇作為混合介質(zhì)。通過(guò)該方法，用活性炭作為還原劑制備硼化鉿，顆粒細(xì)小，均勻，平均粒徑5μm，粒子為球形^[3]。

方法二

將HfCl₄，H₃BO₃，酚醛樹脂分別溶于無(wú)水乙醇中，將制得的醇溶液混合后滴入濃氨水調(diào)pH值至4-4.5使溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，并最終形成凝膠。將凝膠置于烘箱中60-100℃烘干20-30小時(shí)后，得到干凝膠，將干凝膠球磨后再經(jīng)1400-1800℃高溫?zé)崽幚淼玫郊兌容^高的硼化鉿粉體^[4]。

應(yīng)用

硼化鉿作為一種具有耐高溫、抗氧化有良好的化學(xué)穩(wěn)定性的材料，主要用于制作超高溫陶瓷熱防護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)也可應(yīng)用在傳感器、超級(jí)電容器等領(lǐng)域^[5]。

例如，文獻(xiàn)報(bào)道了一種制備高致密度硼化鉿陶瓷的方法。將硼化鉿粉末經(jīng)過(guò)高能球磨，酸洗，真空處理與高熔點(diǎn)包裹材料封裝預(yù)壓后，在3~15GPa，600~2000℃的條件下直接燒結(jié)成高致密度二硼化鉿陶瓷。該發(fā)明首次利用高溫高壓方法制備出了具有良好結(jié)晶形態(tài)和顯微結(jié)構(gòu)的高致密度的純相硼化鉿塊體材料，其晶粒尺寸小，結(jié)晶度高，致密度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)以及較高的硬度和優(yōu)良的斷裂韌性。因其制備工藝簡(jiǎn)單且具有高熔點(diǎn)，高強(qiáng)度，高硬度，高韌性和高抗氧化性，正在發(fā)展成為一種新型的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，可以作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫部件的候選材料，亦可發(fā)展為一種新型的硬質(zhì)合金，可以替代碳化鎢硬質(zhì)合金刀具，廣泛應(yīng)用于機(jī)械切削領(lǐng)域^[6]。

合金領(lǐng)域還公開了一種鋁鋰合金材料的制備方法。該材料的組分如下：鋁粉40-50份，銅粉45-55份，納米氧化銅10-16份，高耐磨炭黑4-9份，堿式碳酸鎳10-14份，助劑2-4份，碘化亞銅8-15份，鉻粉6-9份，硼化鉿1-6份，三氧化二錫2-5份，氧化鋰11-15份，其中助劑由水解聚馬來(lái)酸酐，高鐵酸鈉，氟化鈉按照重量比3:5:24組成的。該發(fā)明方法制備得到的鋁鋰合金材料具有較好強(qiáng)，硬度，性能優(yōu)異，抗磨損，耐熱性能好，可在高負(fù)荷，高溫條件等苛刻的條件下工作，可大規(guī)模生產(chǎn)，值得推廣^[7]。

有關(guān)研究

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于硼化鉿的研究主要集中在耐高溫，抗氧化，抗熱震，耐腐蝕，抗燒蝕等性能，而在紅外隱身材料領(lǐng)域研究鮮有報(bào)道。研究人員以硼化鉿薄膜為研究對(duì)象，圍繞薄膜的制備工藝，導(dǎo)電性能與紅外輻射特性開展相關(guān)研究工作^[8]。研究?jī)?nèi)容如下：

（1）以硼化鉿第一性原理計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合Drude-Lorentz色散模型對(duì)硼化鉿材料的紅外低發(fā)射率特性進(jìn)行探究。使用MaterialsStudio軟件模擬硼化鉿晶體的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度進(jìn)行計(jì)算得出硼化鉿具有類金屬導(dǎo)電性。對(duì)硼化鉿晶體在(100)和(001)方向的復(fù)介電函數(shù)，復(fù)折射率，反射函數(shù)等進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)硼化鉿晶體表現(xiàn)出強(qiáng)反射特性和各向異性。結(jié)合Drude-Lorentz色散模型，在紅外低能量區(qū)域?qū)ε鸹x材料的等離子體頻率與阻尼因子進(jìn)行調(diào)控，發(fā)現(xiàn)提高自由電子濃度和降低電子散射可以降低該材料的紅外發(fā)射率。

（2）研究濺射功率，薄膜厚度對(duì)硼化鉿薄膜紅外輻射性能的影響。通過(guò)調(diào)控薄膜的電阻率，可以降低薄膜的發(fā)射率，制備的硼化鉿薄膜平均發(fā)射率為0.15，表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的低發(fā)射率特性。

（3）研究了Si基底粗糙度對(duì)不同厚度的硼化鉿薄膜的紅外輻射性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著粗糙度的增加，薄膜在保持低紅外發(fā)射率(<0.28)的同時(shí)，鏡面反射率由0.85降低至0.36(λ=10.6μm)。在實(shí)現(xiàn)紅外低發(fā)射的同時(shí)兼具紅外低鏡面反射，有望應(yīng)用于紅外/激光兼容隱身。

參考文獻(xiàn)

[1]張文婷,電子科學(xué)與技術(shù).硼化鉿薄膜的制備與紅外輻射特性研究[D].電子科技大學(xué).

[2]王可.LaB₆[100]-HfB₂復(fù)合材料的制備與性能研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2023.

[3]魏春城,田貴山,孟凡濤,等.硼化鉿粉體的制備與表征[J].硅酸鹽通報(bào), 2009, 28(1):4.DOI:CNKI:SUN:GSYT.0.2009-01-026.

[4]李賀軍,姚棟嘉,李克智,等.一種硼化鉿HfB2抗燒蝕粉體的制備方法:CN201210015873.0[P].

[5]張東昊.硼化鉿的結(jié)晶過(guò)程及合成工藝研究[D].華北電力大學(xué)(北京),2024.DOI:10.27140/d.cnki.ghbbu.2024.000524.

[6]彭放,梁浩.一種制備高致密度二硼化鉿陶瓷的方法:CN201810412834.1[P].

[7]劉曉東,劉莉,王爽,等.一種鋁鋰合金材料的制備方法:CN201710456465.1[P].

[8]張文婷,電子科學(xué)與技術(shù).硼化鉿薄膜的制備與紅外輻射特性研究[D].電子科技大學(xué).