BN的合成方案
一 研究背景
氮化硼是一种重要的化工原料，它被广泛应用作航空航天中的高温、高压、绝缘、散热
部件，高温状态下的特殊电解、电阻材料，高速切割工具和地质勘探中的的钻头等等。因此
氮化硼的高效，经济制备变成为了一个重要的问题。本次研究将主要从原料价格，环保方面
进行考虑与探究。
二 BN的性质
氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%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)，其中六方氮化硼的晶体结构具有类似的石墨层状结构，呈现松散、润滑、易吸
潮、质轻等性状的白色粉末，所以又称“白色石墨”。相对分子质量均为24.82。理论密度
2.27g/cm3，比重2.43，莫氏硬度为2。
外观与性状:润滑,易吸潮.氮化硼是白色、难溶、耐高温的物质。氮化硼耐腐蚀，电绝缘
性很好，比电阻大于10-6 Ω．cm；压缩强度为170MPa；在常温下润滑性能较差，故常与
氟化石墨、石墨与二硫化钼混合用作高温润滑剂，将氮化硼粉末分散在油中或水中可以作为
拉丝或压制成形的润滑剂，也可用作高温炉滑动零件的润滑剂，氮化硼的烧结体可用作具有
自润滑性能的轴承、滑动零件的材料。
三 各种反应方法分析
1.1 B(s） + 1/2N2 (g) = BN(s)
查表得
N2: △fHm=0 kJ/mol; △fGm=0 kJ/mol ;Sm=191.50J/mol/K;
B:△fHm=0 kJ/mol; △fGm=0 kJ/mol ;Sm=5.86 J/mol/K ;
BN: △fHm=-254.39 kJ/mol ; △fGm =-228.45 kJ/mol; Sm=14.81 J/mol/K；
经计算可知，△H=-254.39 kJ/mol;△S=-86.8 J/mol/K;△G=-228.4 kJ/mol <0,
结论：该反应可以自发进行，并且加热可以提升反应速率。
1.2 原料价格
单质硼:6000元/千克,氮气6000元/吨
B(s） + 1/2N2 (g) = BN(s)
由计算得,制备1mol氮化硼至少需要60.1元.
1.3 实际操作
该反应需要在800℃~1350℃的温度进行，反映在高纯氮气的氛围中进行，硼与烧
结助剂按一定的比例加入无水乙醇及玛瑙球 ,混合粉碎24 h之后在 80 ℃ 下干燥 24 h,
过筛, 模压成型,然后将试样放入到石墨坩锅中，在氮气保护下慢慢升温至 1 000 ～1
850 ℃ ,在各自的温度下保温 2 后 h,反应过程中氮气为 0. 5个大气压,流量为 20 mL /
m in。当降温至 800 ℃时, 关掉炉子, 随炉冷却至室温,取出试样,研磨抛光 ,待用 。 进
行的温度为 1 000 ～1 300 ℃，硼粉在1 050 ～1 350 ℃ 发生剧烈反应 ,硼粉全部转化
为 BN 粉 。硼粉约在 500 ℃ 开始反应 ,有一个缓慢的吸热 和增重过程 。随着温度
的不断升高 , 反应持续进行 。 在 1 200 ℃ 左右出现明显的吸热峰和增重峰 , 此时
硼 粉与氮气反应最充分 。此后 ,由于部分生成的 BN 阻 碍了新反应生成的 BN 的扩
散与迁移,使得反应平衡 压力变化放缓 ,硼粉增重速度也随之发生减缓 。在此过程中的
具体反应方程式如下 : B(s） + 1/2N2 (g) = BN(s) 硼粉在氮气气氛中主要合成 BN。为
了使所得反应物晶粒均匀 ,减少基体开裂或弯曲变 形的程度 ,就要控制升温速率缓慢、
均匀,以使生成的BN充分扩散。
由于该反应成本较高，而且反应条件对温度，条件要求过高，所以并不具备实际生
产价值。
2.1 BCl3(g) + NH3(g) = BN(s)+3HCl(g)
查表得:
BCl3:△fHm=– 403.8 kJ/mol; Sm=290.1J/mol/K ;△fGm=-388.7 kJ/mol ;
NH3: △fHm=-46.11 kJ/mol;Sm=192.34J/mol/K; △fGm=-16.48 kJ/mol ;
BN: △fHm =-254.39 kJ/mol ; Sm=14.81 J/mol/K ；△fGm =-228.45 kJ/mol;
HCl: △fHm =-92.31 kJ/mol ; Sm=186.80 J/mol/K；△fGm =-95.30 kJ/mol;
△G=58.3kJ/mol,反应低温不自发进行，高温可以进行.
2.2 原料价格
三氯化硼 1500元/kg 氨气 3000/吨
BCl3(g) + NH3(g) = BN(s)+3HCl(g)
由计算得: 制备1mol氮化硼至少需要176.7元.
2,3 实际操作
由于BCl3毒性比较大，反应产物 HCI 对沉积系统有很大的腐蚀性，成本自然会
大大增加，所以此方法实际上也并不具备实用价值。
2.4 环保
1.三氯化硼
a.性质 无色发烟液体或气体。不燃，有刺激性、酸性气味。遇水分解生成氯化氢
和硼酸,并放出大量热量,在湿空气中因水解而生成烟雾，在醇中分解为盐酸和硼酸酯。
相对密度1.43。熔点-107.3℃。沸点12.5℃。在大气中,三氯化硼加热能和玻璃、陶瓷起
反应,也能和许多有机物反应形成各种有机硼化合物。
b.健康危害 侵入途径：吸入、食入、经皮吸收。 健康危害：对眼睛、皮肤、粘
膜和上呼吸道有强烈的腐蚀作用。吸入后可因喉、支气管的痉挛、水肿，化学性肺炎、
肺水肿而致死。中毒表现有烧灼感、咳嗽、喘息、喉炎、气短、头痛、恶心和呕吐。 慢
性影响：具有神经毒性。
c.毒性学资料 急性毒性：LC501271mg/m3，1小时(大鼠吸入)
危险特性：化学反应活性很高，遇水发生爆炸性分解。与铜及其合金有可能生成具
有爆炸性的氯乙炔。遇潮气时对大多数金属有强腐蚀性，也能腐蚀玻璃等。在潮湿空气
中可形成白色的腐蚀性浓厚烟雾。遇水发生剧烈反应，放出具有刺激性和腐蚀性的氯化
氢气体。
2.氨气 氨气，无机化合物，常温下为气体，无色有刺激性恶臭的气味，易溶于水，
氨溶于水时，氨分子跟水分子通过*氢键结合成一水合氨(NH3·H2O)，一水合氨能小
部分电离成铵离子和氢氧根离子，所以氨水显弱碱性，能使酚酞溶液变红色。氨与酸作
用得可到铵盐，氨气主要用作致冷剂及制取铵盐和氮肥。 氨对接触的皮肤组织都有腐
蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破
坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，
常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症液、尿液或呼吸排出体外
3.1 B2O3（s）+ 2NH3（g）= 2BN(s)+3H2O(g)
查表得:
B2O3:△fHm=-1273.5kJ/mol;Sm=54.0J/mol/K ;△fGm=-1194.3kJ/mol ;
NH3: △fHm=-46.11 kJ/mol; Sm=192.34J/mol/K;△fGm=-16.48 kJ/mol ;
BN: △fHm =-254.39 kJ/mol; Sm=14.81 J/mol/K;△fGm =-228.45 kJ/mol;
H2O: △fHm =-241.82kJ/mol ;Sm=188.72J/mol/K;△fGm =-228.59kJ/mol;
经计算可知，△H=131.48 kJ/mol;△S=157.1J/mol/K;△G=58.3kJ/mol, 反应低温不自发进
行，高温可以进行
3,2 原料价格
氧化硼 18500/吨 氨气 3000/吨
由计算得: 制备1mol氮化硼至少需要0.95元.
3.3 实际操作
反应生成除了我们需要的BN外仅有H2O生成，水没有腐蚀性和毒性,所及大大降
低了维护成本和提高安全性,是可行的方案.
结论:
经上述分析,明显第三种方法(B2O3（s）+ 2NH3（g）= 2BN(s)+3H2O(g))最
具备可行性，原因有三：
（1）该反应虽也需加热但是比起其他两种条件更为简单,对设备要求不高.
（2）不会生成有害物质,符合安全性和环保性的要求.
（3）材料,维护成本低廉,可以大量生产,有市场竞争力和经济效益.
材料引用:
[1] .郭胜光.《氮化硼合成及应用的研究》.山东科技大学材料学院.2004年
[2]. 王运峰，林静春，《氮化硼的生产方法》，河南科技，1994,6：19
[3].张晓娜，《关于氮化硼合成的研究》，2010:2-3
[4].强亮生，许崇泉，《工科大学化学》，2009:27-28.
[5]. 强亮生，许崇泉，《工科大学化学》，2009:27-28.
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