氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.5%的硼和6.4%的氮,具有四种不同的变体:六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纤锌矿氮化硼（WBN）。 第一节 六方氮化硼和菱方氮化硼的结构 氮原子和硼原子采取不同杂化方式互相作用，可形成不同结构的氮化硼晶体。当氮原子和硼原子以SP2方式杂化后,由于键角为120O，成键后形成与石墨类似 的平面六角网状结构分子，这种大的平面网状分子采取不同的空间堆垛方式后，又可形成不同的结构--六方氮化硼（HBN）和菱方氮化硼（RBN）。 一、 六方氮化硼 六方氮化硼具有石墨类似的结构，外观为白色，因而有时也称该种氮化硼为类石墨氮化硼或白石墨。 六方氮化硼的结构，层状排列为AA、，AA，……类型，晶格常数α=0.251±0.002nm,c=0.670±0.004nm,密度ρ为2.25g/cm3。 六方氮化硼在空气中非常稳定,能耐2270K高温,在3270K时升华,氮化硼具有良好的绝热性、导热性和化学稳定性，不溶于冷水，水煮沸时水解非常缓慢 并产生少量的硼酸和氢；与弱酸和强碱在室温下均不反应，微溶于热酸，用熔融的氢氧化钠、氢氧化钾处理才能分解，利用这一性质，可以将立方氮化硼从六方氮化 硼中分离出来。 二、菱方氮化硼 菱方氮化硼的结构，层状排列为ABCABC……类型，晶格常数α=0.22556nm,c=0.4175nm，密度ρ为2.25g/cm3。 菱方氮化硼具有与六方氮化硼相同的性质,不能用物理方法将其分开。层间的ABCABC……排列更有利于向立方氮化硼转变，因而有人用菱方氮化硼在冲击压缩中直接得到了立方氮化硼。 第二节 立方氮化硼与纤锌矿氮化硼的结构 一、 立方氮化硼
氮化硼晶体除具有六方氮化硼和菱方氮化硼两种结构外，还具有两种采取SP 3杂化后形成的类似金刚石结构的氮化硼，它们是具有闪锌矿结构的立方氮化硼和具有纤锌矿结构的六方氮化硼（WBN）。 立方氮化硼具有类似金刚石的晶体结构，不仅晶格常数相似(金刚石为0.3567nm,立方氮化硼为0.3615nm),而且晶体中的结合键亦基本相同,即 都是沿四方面体杂体中的共价键,所不同的是金刚石中的结合纯属碳原子之间的共价键,而立方氮化硼晶体中的结合键则是硼、氮异类原子间的共价结合,此外尚有 一定的弱离子键。在理想的立方氮化硼晶体中,所有四个B-N键的键长彼此皆相等(0.157nm) 键与键键的夹角为109o5'。 立方氮化硼晶体每一层是按紧密球堆积的原则构成的，且是同类原子所组成的，由硼原子构成的单层与由氮原子构成的单层相互交替。立方氮化硼格子具有 aa'bb'cc'aa'bb'的连续的层堆垛.它的晶格常数为3615±0.0001nm,密度为3.48g/cm3。 立方氮化硼最典型的几何形状是正四面体晶面和负四面体晶面的结合,常见的形状有:四面体、假八面体，假六面体(扁平的四面体)。 根据立方氮化硼的B、N表面腐蚀的显微结构，四面体的立方氮化硼晶体可分为两种：一种是硼四面体，即四个表面是硼表面；另一种是氮四面体，即四个表面是氮表面。 二、 纤锌氮化硼 纤锌矿氮化硼属于六方晶体，其结构如图1－1所示。纤锌矿氮化硼的结构都是由成对的原子层组成的，一个平面是硼原子，另一个平面是氮原子。如果只看到最近 邻原子，不可能说出是立方结构还是六方结构，但选到次近邻原子时，就能区别它们的结构。这两种结构中相邻键长接近相等。纤锌氮化硼的晶格常数a= 0.255±0.002nm, c=0。
第三节 立方氮化硼的性质 一、 物理机械性质 1、硬度：立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，比其它两种磨料α－AL2O3和Si C要高得多。 俄国专家对添加硅合成的立方氮化硼晶体的某些性质进行了研究，指出，硅原子溶解到立方氮化硼晶格中导致其显微硬度、位错密度和密度的明显增加，以及晶格常数的减少。 2、强度：强度是立方氮化硼产品分级和评定其质量的重要指标。影响单晶强度的因素有很多，包括应力状态的特点、亚结构、尺寸、晶形、内部和表面存在的裂纹 及其它缺陷等，在脆性状态中，单晶强度与结晶块的散射角到小成正比，而散射角是亚结构的重要特征之一。亚结构对立方氮化硼强度特性的影响研究表明，当块状 散射角增加到一定值（1－2.5。）时，发现强度有提高的趋势。当散射角更大时，块状晶体强度明显的降到接近集合体的强度；复杂断层结构的块状看晶体具有 最高的强度。对不同亚结构的立方氮化硼单井机械强度进行试验，认为获得粗颗粒、高强度立方氮化硼所必需的条件是，块状晶体散射角的变化在1－2.5O度的 范围内。 3、弹性模量（N/m2） C11为71.2×1010（由C11／C0计算值），C12为～8×1010（估计值），C44为33.4×1010（由C44／C0计算值），K（体积模量）＝(C11+2C12)／3≈29×1010。 4、压缩率cm2/N) (0.24~0.37)×10-17,0.34×10-17(从弹性模量计算的)。 5、位错迁移温度＞1579K。 6、声子波谱（cm-1meV） 光学纵波 1304（161.6） 拉曼光谱 多晶氮化硼 光学纵波 1304（166） 红外反射 多晶复合体 光学纵波 1365（169） 红外透射 粉末在*酮丙**中 光学横波 1056（130.9） 拉曼光谱 光学横波 1065(132) 红外反射 音响纵波 685(85) 红外透射 粉末 音响横波 348(43) 红外透射 单晶 中心频率 1175(145.7) 红外透射 二、 光学性质 立方氮化硼的光学性质研究很少，简单介绍如下。 1、 颜色 物色（稀少），通常为黄色（琥珀色、蜂蜜色、黄棕色），还有橘色、黑色（B掺杂）、褐色和深蓝色 (Be 掺杂)。 2、 色散（nλ1-nλ2） 687nm~397nm 687nm~430.8nm 656.3 nm~486.1nm 红外和紫外光谱峰在≈9.1μm处。 三、 电磁性质 1、 电阻率（??cm） p型（Be掺杂）为102～104，导电激活能为0.19~0.23eV;n型(B、S、Si、CN掺杂)当102～10.7，导电激活能 0.05~0.41eV. 1010(无掺杂),从298K升到773K无掺杂的黄色晶体的电阻从1010 ?降低到107 ? (电阻的降低伴随颜色的变化)。 2、介电常数 ξ0＝7.1ξ∞=4.5(n=2.117;n2=4.480)。 立方氮化硼的空间群因为是没有对称中心的F43m，所以显示压电性，推定压电系数d14=0.843×10-12C/N,机电耦合系数K14=0.14。如果利用立方氮化硼作为压电半导体，可能会在超声波大和光高次谐波方面引起关注。 Philip,Taft和Chrenko等根据反射光谱的测定,估计立方氮化硼的频带宽8eV,此值比京昂是的频带宽度（5.47eV）大,但与Si ,ALP,Ge和GaAs,以及Sn和In,Sb各频带宽度大小一样的. 3、 磁化率 研究表明，立方氮化硼具有弱的铁磁性，如图1－11和图1－12所示。 四、热（力）学性质 1、 比热 2、 德拜温度（K） 1700K是由红外光谱测得的。1900是根据θ（0）＝（4.19×10-8/√a3M）G所计算的。式中，a为4.80×10-6(703K); 4.30×10-6,(973K);5.60×10-6(1173K);5.80×10-6,(1433K) 3、 线热膨胀 a(K-1) 热膨胀系数在不同温度下不同，如为4.80×10-6(703K);4.03×10-6,(973K);5.60×10-6(1173K);5.80×10-6,(1433K)。 4、 热稳定性（<1大气压） （1） 在空气、氧气中：常温至1570K时，B2O3保护层能阻止进一步的氧化；1673K没有转变为六方的结构。 （2） 在氮气中：在1525K下加热12小时少量转变为六方结构。 （3） 在真空中（10－7乇）转变为六方结构的临界温度为1773～1873K。高压下（5.0~6.0GP）强脉冲加热,转变为六方结构BN的临界温度为3400～3500K. 5、 熔点（在三相点） 10.5GP a时，约3500K。 五、 化学性质 （一） 立方氮化硼的氧化过程 由图1－4曲线分析得知，微粉重量变化分若干阶段进行。第一阶段（1区段），由于加热到573K，重量减少0.3％,显然与微粉吸附的物质解吸有关.跌入 阶段（2区段）表明,在573～973K的范围内,被氧化的微粉的重量变化.在这个阶段氧化表现出化学作用的特征是典型的,可用反应式表达为:2BN+ 3/2O2=B2O3+N2 .微粉氧化的第四阶段起始于1273K(4区段),在此阶段氧化的高速与微粉颗粒分裂所引起的氧化表面的更新有关. 温度和维持时间的进一步提高和延长,导致了立方氮化硼微粉的第五阶段（5区段）的发生.在第五阶段中,B2O3的蒸发速度超过其形成的速度,因而,氧通过氧化硼层的迁移更加激烈,整个过程加速进行,这点已被氧化的试样的重量明显降低所证明. (二)立方氮化硼与一些元素的化学作用 立方氮化硼与铁、碳没有明显的亲和力，因此决定着它在磨削钢时是十分有价值的。 立方氮化硼与一些元素的化学作用如下：Mo在10－4mm真空中，约1630K时与立方氮化硼反应。Ni在10－4mm真空中，1630K湿润立方氮化 硼。Fe、Ni、Co在氩气中，1620～1670K时开始与立方氮化硼反应。Al在10－5mm真空中，1770K时湿润立方氮化硼。Cu、Ag、 Au、Ge、Sn在10－5mm真空中，1370K时不湿润立方氮化硼或六方氮化硼，湿润功为（0.6~3.5）10-5J/cm2.Fe、Co、Ni、 Si在10－5mm 真空中，1550OC湿润六方氮化硼，湿润功为（1.0~3.5）10-4J/cm2. B在2470K是不湿润六方氮化硼,添加0.1~1%Ti或Cr,湿润性增加.
第四节 立方氮化硼产品品种特性 自1957年R.H.wentorf用六方氮化硼为原料,在碱金属或碱土金属或它们的氮化物参与下,通过超高压高温成功的制得立方氮化硼以来,立方氮化硼 已有了很大的发展,美国、前苏联和De Beers 公司都有系列产品。本节将对这些国家（或公司）的产品及其特性和应用等问题作一概述。 一、 美国G.E公司的立方氮化硼产品及其特性 立方氮化硼是美国的G.E公司研发中成功的,生产技术水平也很傲。 1969年生产CBNⅠ、CBNⅡ、 CBN500和CBN510。1981年又增加了三个新牌号，即CBN550、CBN560和CBN570,使产品达到7个。 值得指出的是，CBN550、CBN560和CBN570与以前的产品不同，有高的脆性，工作时能保持新的切削刃。用这些材料制造的砂轮具有磨损小，生产 率高，不需要修整即能在工作过程中自锐的特点。新牌号的立方氮化硼具有高的机械强度，加热到近1473K时其强度仍保持不变。它们对Fe、Ni、Co的化 学稳定性高于金刚石，新牌号的立方氮化硼为微粒由很多晶体形状不规则的微米级颗粒所构成的20／30～140／170（USmesh）的多晶体。为晶立方 氮化硼与立方氮化硼单晶的区别在于，不仅可用于硬质耐磨材料的加工，而且可用于较软（HRC<50）材料的加工。新牌号立方氮化硼因其制造工艺与性 能的不同，所以应用范围也不同。 CBN500是一种具有韧性、等积形的晶体，耐磨性高，抗裂能力强，热稳定性高达1170～1270K。 CBN550是一种晶形不规则的微晶结构，无解理晶面，强度高，在高达1470K的温度下其强度保持不变。 松装密度可作为衡量颗粒形状的尺度。 二、 De Beers公司的立方氮化硼产品及其特性 为了满足不同的加工要求，De Beers Co. 已发展两个系列的立方氮化硼磨料。ABN300和ABN360是1974年推出的，用于快速常规磨削；1981年又推出新的ABN600系列产品，的提供 更粗的粒度。ABN600、ABN615和ABN660用于要求高的加工，如高速切削的微量纵摆磨削，可获得最佳的使用性能。 ABN300是透明的琥珀色立方氮化硼晶体,形状不规则,多锋利刃棱,密度为3.48g/cm3,粒度B251／B46,适于作烧结和电镀金属结合剂工 具;ABN360镀有占总重量60％镍衣,密度为5.20.1g/m3,粒度B215／B46,可作树脂结合剂磨具,用于小进给或中进给的干式或湿式磨 削;ABN600是一种黑色立方氮化硼单晶体,呈优异的等积形,密度为3.48g/cm3,强度高,粒度粗达B852,可作电镀和烧结金属结合剂的工具; ABN615是一种专为陶瓷结合剂磨绝而发展的镀覆磨粒,密度为3.55g/cm3,粒度B251／B46,热稳定性好,可作高浓度磨具（浓度达 272％）;可作树脂结合剂磨具,用于深磨,能大大减轻工件烧伤。 ABN600系列磨粒的优点是:单晶结构,呈优异的等积形,强度和热稳定性高,在使 用中取得了良好的技术经济效益.如ABN660与ABN360相比,干磨T15钢时,磨削效率高,降低功率消耗14％;干磨M2钢时,砂轮耐用度提高 75%,功率消耗降低7％;当进给量超过75um湿磨M2钢时,耐用度提高约50％,常用于深磨;专用磨粒ABN615,在磨具烧成过程中不会发生有害的 化学反应,从而开辟了立方氮化硼磨具加工铁素体材料的新途径. 三、 前苏联立方氮化硼产品及其特性 前苏联科学院高压物理研究所1960年第一次合成出立方氮化硼，1965年乌克兰科学院超硬材料研究所试验工厂生产的产品称之为КУб нит ,而全苏磨料磨削研究所和伊里奇厂生产的产品称之为 ЗЛЪбор 。 КУб нит 系列产品中，КО 表示普通强度的立方氮化硼；КТ表示高强度的立方氮化硼；КОМ表示镀金属衣的普通强度立方氮化硼；КОС表示镀非金属衣的普通立方氮化硼;КРМ表示镀 金属衣的中等强度立方氮化硼;КРМА表示镀金属衣的普通强度的多晶立方氮化硼；КМ 表示立方氮化硼微粉。 各种牌号КУб нит的特点和用途为： （1） KO：粒度50／40～200／160，比表面积0.15m2/g(粒度50／40)，堆积比重1.61g/m3(粒度50／40),呈单个略长的颗粒及 连生体.色泽为灰色、深灰色、白色、褐色，黑色的颗粒较少。晶面不清晰，非常粗糙，颗粒光泽不强。强度指标略高于ACO金刚石。用于制造有机和陶瓷结合剂 砂轮，精磨和半精磨高速钢，难加工钢及合金，并用于制造涂附磨具。 （2）KP：粒度50／40～250／200，基本上由单晶、双晶和单晶碎片构成，很少见到连晶，晶型呈现八面体、四面体。晶体缺陷随颗粒尺寸增大而增 加，比表面积0.13cm2/g(粒度50／40)，堆积比重1.76g/cm3(粒度50／40)，色泽基本上呈黑色，单个颗粒为深灰色、褐色和略带黄 色。颗粒光泽强，强度指标略高于ACP金刚石，实际强度与ACB金刚石相当，用于制造金属结合剂砂轮，磨削和刃磨高速钢。 （3） KT；1980年开发的高强度产品。KT单晶主要呈无色或黄色。可见包裹体数量（放大25倍）不多，单晶的形状不像KP那样扁平。KT粉料中的等积形单晶 含量高于KP。必须指出的是，在氢气介质中、1500K下时，对KT粉料进行了热处理（保持20分钟），发现该温度不影响其强度；KT的耐热性高是因为晶 体中的包裹体数量比KP少得多。研磨能力（ГОСТ9206-80 ）KT63/50等于19.9mg (低35％).用KT粉料制造的砂轮加工Р6МГКТ 钢时,耐用度比金属结合剂KP砂轮高3～7倍.由此可见,K*牌T**号的产品代表苏联立方氮化硼的最好水平. ЗЛЪбор系列产品有 ЛОЛПЛКВ三个牌号的磨粉和 ЛМЛВМЛПМ三个牌号的微数粉(ЛМ为普通微粉, ЛВМ 基本粒含量高, ЛПМ 基本粒含量高). П∏ 有时被列入这个系列.实际上它是 злъбор-----P多晶破碎而成的。 四、 日本昭和电工公司的立方氮化硼产品及其特性 日本昭和电工公司除生产人造经昂室外，还生产两类氮化硼-SNB和BBN。 SBN是一种实际上无杂质（99％BN）、密度3.48g/cm3 、诺普硬度47GPa的磨粒，他的变种有SBN-F、SBN-S、SBN-T、SBN-SN和TN。 （1） SBN-F：黑色、脆性、耐热的颗粒，具有良好的切削功能，用它制造陶瓷结合剂砂轮。用它的超细微粉制成的烧结制品可用于切削工具。 （2） SBN-S:琥珀色，强度高于SBN－F，采用它制造陶瓷和金属结合剂砂轮用于加工黑色和有色金属。 （3） SBN-T：高强度库金属衣的单晶体，用于褐色金属的加工。可用它制作珩磨块和有机陶瓷及金属结合剂砂轮。 （4） SBN-SN和TN：一种银白色，表面用专门电镀工艺库上的针状金属层的材料，可用于磨削黑色金属、铸铁、工具钢、碳素钢和特种钢。 BBN是立方氮化硼的标准磨粒；BBN-Ni为镀镍（约60％）磨里；BBN－400为较强的磨粒，用于苛刻条件的工作；BBN-V是脆的、耐热并具有良好的切削性能的磨粒，用于制造陶瓷结合剂磨具。 五、 国内立方氮化硼产品及其特性 国内生产的立方氮化硼分为Ⅰ型、Ⅱ型两个品种。 综上所述可知：（1）立方氮化硼品种多，应用范围广；（2）高温强度保持性好，可提供的粒度粗；（3）特别要指出的是，G.E公司和De Beers公司在增大立方氮化硼粒度方面采用了两种完全不同的工艺方法,从技术难度来看,De Beers公司采用的工艺技术难度大;(4)开发镀金属（或非金属）衣的立方氮化硼产品是发展其品种的有效途径.