極端條件的理想金屬防腐材料

近代工業(yè)發(fā)展過程中，每年由于金屬腐蝕造成的資源浪費(fèi)十分巨大，因此金屬防腐問題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。在眾多防腐技術(shù)中，涂層保護(hù)因其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性成為最常用的防腐技術(shù)之一。由于工業(yè)生產(chǎn)過程中導(dǎo)致腐蝕的誘因往往不止一種，因此防腐涂層往往需要多種材料配合使用，以達(dá)到良好的防腐效果。

在氮化硼防腐領(lǐng)域的相關(guān)研究中，研究人員通過可溶性導(dǎo)電聚合物（2-丁基苯胺）（PBA）將層疊的六方氮化硼剝離制備少層的氮化硼納米片，再將其加入環(huán)氧涂層中，以此得到防腐性能增強(qiáng)的復(fù)合納米涂層。這種方法制備的復(fù)合納米涂層其防腐性能得到了顯著提高，其中導(dǎo)電聚合物PBA不僅用于剝片，同時也作為緩蝕劑，通過鈍化金屬來延緩腐蝕。

氮化硼粉體

涂層中分散的氮化硼相當(dāng)于延長了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑，即有效阻隔了水分子、離子、氧的滲入，延緩腐蝕，同時，可溶性的導(dǎo)電聚合物（2-丁基苯胺）（PBA）可使金屬基板表面形成一層致密的鈍化膜，有效阻隔金屬表面的腐蝕，這是一種“阻隔與鈍化協(xié)同效應(yīng)”的防腐機(jī)制，證明了氮化硼在金屬防腐領(lǐng)域能得到有效利用。

在某些特殊環(huán)境下，設(shè)備發(fā)熱量高，防腐涂層除了需要具有優(yōu)異的防腐性能外，還需要良好的散熱能力。而氮化硼具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，尤其是在高溫環(huán)境下其導(dǎo)熱性無明顯變化。因此也可以作為高導(dǎo)熱防腐涂料的理想材料選擇。

六方氮化硼涂層是惰性無機(jī)高溫潤滑材料，不粘結(jié)，不滲入熔融金屬液，能完全保護(hù)與熔融鋁、鎂、鋅合金和熔渣直接接觸的耐火材料或陶瓷容器的表面，防止金屬腐蝕，大大延長使用壽命。而我們知道鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和較好的高溫力學(xué)性能，是航空、航海、化工和生物工業(yè)的重要材料之一。

六方氮化硼超細(xì)粉體

但鈦合金耐磨性較差，用作摩擦件時，易磨損而造成部件失效。為了提高鈦合金的耐磨性，需要進(jìn)行表面處理。提高鈦合金耐磨性的方法有很多：化學(xué)熱處理可以通過在鈦合金表面滲碳、氮化形成TiC、TiN等硬化層來提高耐磨性，但需要對工件進(jìn)行整體加熱并長時間保持，這會影響基體材料的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其力學(xué)性能；由于工件變形引起的熱應(yīng)力，電鍍、化學(xué)鍍可在鈦合金表面制備Cr、Ni-P等耐磨層，但電鍍、化學(xué)鍍對環(huán)境污染大，正在被取代通過其他進(jìn)程。

于是市場上出現(xiàn)了二元或多元氮化物層，其中六方氮化硼涂層的應(yīng)用最為突出，六方氮化硼具有良好的減摩效果，通過激光熔覆處理工藝對鈦合金基體表面制備金屬/六方硼氮化物復(fù)合涂層，實(shí)現(xiàn)與鈦合金基體冶金結(jié)合的復(fù)合涂層。

用作脫模劑，盡顯優(yōu)勢本色

氮化硼的摩擦系數(shù)非常低，自潤滑性能優(yōu)異，甚至在高溫下也具有良好的自潤滑能力，是重要的減摩自潤滑涂層材料，可被應(yīng)用于1000℃以上高溫可磨耗涂層的軟質(zhì)潤滑組分。氮化硼涂料可用作為脫模（防粘）劑，用于陶瓷的熱壓成形和玻璃成形，以及金屬澆鑄嘴模的涂覆，使其具有良好的潤滑性和防粘（脫模）性，還可減少或阻止基襯與熔體之間的化學(xué)反應(yīng)，從而延長其使用壽命。

由于氮化硼可以抵御核反應(yīng)堆的中子輻射，在惰性氣氛中分解溫度高達(dá)2500℃，在極端條件下表現(xiàn)出的優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，高溫下具有良好的潤滑性能，是一種理想的脫模劑。因此氮化硼脫模劑在金屬鑄造熔煉焊接中也多有應(yīng)用，可以用于超塑性成形的工藝。具體如下：

多相催化中的新機(jī)遇

獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了h-BN優(yōu)異的化學(xué)/熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱性以及電學(xué)性質(zhì)，在很多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。其中用作金屬的催化劑就是其中之一。

許多研究表明，規(guī)整的h-BN面內(nèi)與金屬的作用很弱，相反金屬更傾向于分散在h-BN片的邊緣或者顆粒的晶界處，這說明B/N缺陷、含氧缺陷、表面官能團(tuán)等位點(diǎn)可以錨定金屬活性組分。為了創(chuàng)造更多類似的位點(diǎn)，利用不同的合成方法，如化學(xué)剝離、固相合成、表面官能化等，可以得到不同尺度和維度的h-BN基納米材料。典型的體系包括二維的納米片（h-BNNS）和三維的多孔材料（porous-BN），它們都具有豐富的邊緣結(jié)構(gòu)和表面缺陷，以及高的比表面積。

多相催化中的Metal/h-BN界面效應(yīng)研究

在作為載體負(fù)載金屬催化劑時，可以得到超細(xì)的金屬納米粒子，甚至是金屬單原子。由于邊緣缺陷或者表面官能團(tuán)的錨定作用，可以長時間穩(wěn)定金屬催化劑的結(jié)構(gòu)和尺寸大小。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，Metal/h-BN界面處的電子轉(zhuǎn)移或者金屬和B/N原子之間的軌道耦合改變了金屬活性組分的電子性質(zhì)，最終改善了金屬催化劑的性能。相比較傳統(tǒng)的氧化物載體，多變可調(diào)的結(jié)構(gòu)以及良好的機(jī)械性能使得h-BN成為一種優(yōu)良的備選催化劑載體材料。

在氧化性氣氛中，Metal/h-BN界面處的h-BN被刻蝕分解，生成了含硼的氧化物并遷移到金屬納米粒子表面，形成多孔的包裹層。相同的刻蝕-包裹現(xiàn)象在多個Metal/h-BN體系中被證實(shí)，比如金屬鎳、鉑、鐵、鈷等。硼氧化物包裹層的存在改變了金屬表面的吸附性質(zhì)和納米粒子的穩(wěn)定性，不僅不會阻礙反應(yīng)物分子擴(kuò)散和吸附到金屬表面，甚至也可以參與催化反應(yīng)循環(huán)，增加了二氧化碳與甲烷干重整反應(yīng)的穩(wěn)定性和一氧化碳氧化反應(yīng)的活性。

不同類型的Metal/h-BN界面

除了作為載體以外，二維的h-BN薄層也被用來覆蓋在金屬催化劑表面，形成納米尺度的反應(yīng)器來調(diào)節(jié)催化反應(yīng)過程。單層的h-BN通過弱的范德華力結(jié)合在金屬表面，氣體小分子如CO和H2等可以插層并吸附在金屬表面，并發(fā)生催化反應(yīng)?；趲缀蜗拗坪碗娮有揎椬饔茫⒓{尺度反應(yīng)空間內(nèi)的分子吸附和催化反應(yīng)都被一定程度調(diào)制，這就是二維h-BN覆蓋層下的限域催化現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的h-BN包裹金屬納米催化劑，可以利用限域效應(yīng)優(yōu)化催化性能。比如，通過控制包裹層數(shù)來調(diào)節(jié)不同大小分子的吸附能力，進(jìn)一步影響不同反應(yīng)的性能或者不同產(chǎn)物的選擇性，增加催化劑的熱穩(wěn)定性。限域催化原理不僅僅在氣相反應(yīng)得到驗(yàn)證，還適用于基于液態(tài)電解液的電催化反應(yīng)過程。相比于其它的覆蓋層助劑，h-BN具有穩(wěn)定性高和結(jié)構(gòu)多樣性的優(yōu)勢。