原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Hu M, Zhang W, Zhang J, et al. Isotropic hexagonal boron nitride ceramics with high thermal conductivity and strength. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221275
文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221275
ResearchGate：Isotropic hexagonal boron nitride ceramics with high thermal conductivity and strength
基金支持：
本研究由国家自然科学基金（项目号：52302063、92463305、52302048、52202071、52572075）、中国博士后科学基金（项目号：2023M741879）、北京市自然科学基金（项目号：JR25004）、国家博士后创新人才支持计划（项目号：BX20240307）、教育部基础与交叉学科突破计划（项目号：JYB2025XDXM403）、河北省科技计划（项目号：24461901D、25361501D）、中国博士后科学基金会博士后研究人员计划（项目号：GZB20240633）、河北省自然科学基金（项目号：E2025203213）以及河北省高层次人才基金（项目号：HY2025050006）资助。
一、导读
六方氮化硼（hBN）陶瓷块材具有优异的力学性能、绝缘性、耐腐蚀性及介电性能，但其层状原子排列导致块材的性能表现出显著的各向异性。针对这一难题，本研究提出“相变调控”策略：通过放电等离子烧结和热压烧结，利用高温下cBN向hBN的相转变，构筑出三维互锁的微观结构，实现了氮化硼陶瓷的各向同性。所制备的陶瓷块材在平行和垂直烧结压力方向上表现出高度一致的优异性能：抗压强度达129 MPa，弯曲强度达63 MPa，室温热导率达77 W·m-1·K-1。该研究为高端装备的热管理提供了理想材料。
二、研究背景
hBN素有“白色石墨”之称，凭借优异的力学性能、绝缘性、耐腐蚀性及介电性能，成为高端装备、航空航天等尖端领域不可或缺的关键材料。然而，这类材料的制备长期面临一个突出难题：在致密烧结过程中，片状hBN晶粒易沿压力方向定向排列，致使材料在不同方向上的物理性能差异显著。这种强烈的各向异性，极大地限制了其在复杂工况与高端场景中的稳定应用。传统调控策略（如减小前驱体粒径、优化烧结工艺、增加第二相等）虽能在一定程度上弱化hBN的织构化程度，但仍然难以实现真正意义上的各向同性，且往往会以牺牲hBN本征的优异性能为代价。
三、文章亮点
（1）提出了“相变调控”策略，利用cBN在放电等离子烧结和热压烧结过程中的结构相变，成功制备出各向同性hBN块材。
（2）揭示了各向同性氮化硼陶瓷的形成机理：高温下cBN颗粒表面发生键合重构，首先形成晶格扭曲的乱层氮化硼（tBN）；随着温度进一步升高，tBN逐步转变为hBN。残留在hBN层间的tBN通过“钉扎效应”有效抑制了晶粒在烧结过程的取向排列，最终构筑出三维互锁的微观结构，实现了氮化硼陶瓷的各向同性（IOP=1）。
（3）实现了全方位性能一致：该陶瓷在平行和垂直烧结压力方向上表现出高度一致的优异性能：抗压强度达129 MPa，弯曲强度达63 MPa，室温热导率达77 W·m-1·K-1。
四、研究结果及结论
以cBN为前驱体，通过调控放电等离子烧结温度，研究了其在烧结过程中的相转变行为（图1）。XRD分析显示，cBN在1500℃附近开始向hBN转变，1600℃时样品中出现tBN的特征峰，至1800℃时cBN完全转变为hBN相。1500℃烧结样品的XPS谱图中出现π等离子体特征峰，进一步证实了sp2键合的hBN相的生成。此外，1600BN与1800BN样品的晶粒形貌演变（FESEM表征）也直观反映了这一相变过程。上述cBN→tBN→hBN的相变行为，为通过相变策略制备各向同性hBN陶瓷提供了关键的先决条件。
图1 cBN到hBN的相变。(a) cBN前驱体粉末及不同温度烧结块体的XRD图谱。(b,c) cBN前驱体粉末与1500BN样品在B1s和N1s轨道的XPS谱图。(d) cBN前驱体粉末及不同温度烧结块体的拉曼光谱。(e) 1600BN样品的HRTEM图像。(f,g) 1600BN和1800BN样品断面的FESEM图像。
利用cBN的相转变，在1800-2200°C温度范围内成功制备了各向同性hBN瓷块体体。图2中XRD与拉曼光谱结果表明，所合成样品均以hBN相为主；IOP绝对值接近1，证实材料为各向同性，这一结论也得到了FESEM表征图像的进一步佐证。值得注意的是，所合成BN陶瓷的晶粒尺寸与密度随烧结温度升高发生显著变化，但IOP值始终维持在±1附近，未因晶粒长大或密度提升而丧失各向同性。通过对比实验进一步揭示：以cBN为原料经热压烧结也可获得各向同性结构，而以hBN粉末为原料经等离子烧结的样品呈现显著择优取向（IOP=65.88），由此确认cBN前驱体的相变是构筑各向同性BN陶瓷的关键。
图2 (a,b) 分别为烧结hBN陶瓷在垂直、平行压力方向的XRD图谱。(c) 烧结BN陶瓷的拉曼光谱。(d) 由烧结BN陶瓷断面FESEM图像统计得到的hBN片层面内横向尺寸分布。(e) 烧结hBN陶瓷的密度和相对密度。(f) 烧结hBN陶瓷及对比实验制备样品的IOP值。
图3与图4结合，系统揭示了各向同性hBN陶瓷的微观形成过程及作用机理。透射电镜表征结构表明，高温下cBN颗粒表面的sp3键发生断裂并重构为sp2键，首先形成晶格扭曲的tBN中间相；随着温度进一步升高，tBN逐步转变为hBN，且部分tBN残留在hBN层间。这些残留tBN通过钉扎效应有效抑制了hBN晶粒在压力作用下的择优取向生长，最终使hBN片层随机堆叠形成三维互锁的卡屋式微观结构，成功实现了氮化硼陶瓷的结构与性能各向同性。
图3 各向同性hBN陶瓷形成过程示意图。
图4 cBN→tBN→hBN演化路径的透射电镜表征图像。(a-d) 1600BN。(e-g) 1800BN。(h-j) 2200BN。
图5与图6分别为各向同性BN陶瓷的热学性能与力学性能表征结果。该陶瓷在平行和垂直于烧结压力的两个方向上，热学与力学性能均表现出高度的各向同性。其中1800BN样品展现出最优力学性能，抗压强度达129 MPa、弯曲强度达63 MPa；2200BN样品实现最优室温导热性能，导热率达77 W·m-1·K-1。
图5 各向同性BN陶瓷的热学性能。
图6 各向同性BN陶瓷的力学性能。
五、作者及研究团队简介
胡盟教授（第一作者），长期从事新型碳材料与氮化硼材料的理论设计及组织结构调控研究。近年来，主持国家自然科学基金青年基金、德国达姆施塔特工业大学青年学者桥梁基金（Career Bridge Grant）等项目，获德国学术交流中心奖学金（DAAD Fellowship）、德国“洪堡学者”称号、河北省自然科学二等奖。以第一作者等身份发表SCI论文40余篇，申请发明专利4项。
马梦冬（通讯作者），副教授，长期从事亚稳碳材料以及结构陶瓷材料方面的研究工作。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）、中国博士后面上等项目，入选中国科协“青年人才托举工程”计划、“澳门青年学者”计划，河北省燕赵黄金台聚才计划。以第一作者（含共同一作）及通讯作者发表学术论文30余篇，他引1800余次。
武英举（通讯作者），助理研究员，长期聚焦于新型亚稳氮化硼（碳）材料和塑性陶瓷材料的设计、合成及机理研究。近年来主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目C类、重大研究计划集成项目课题、中国博士后科研业绩评估考核一档资助、国家资助博士后研究人员计划B档资助、中国博士后面上项目、等，至今已发表SCI论文48篇，申请国内外发明专利15项。
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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