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立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡稱cBN）是一種單晶硬度接近于金剛石單晶的超硬材料，具有良好的熱穩定和抗氧化性能，在不超過1450℃的條件下可正常使用。cBN產品主要分單晶和多晶燒結體兩種，晶型有截錐四面體、八面體、斜晶和孿晶等。目前商業生產的cBN多呈黑色、琥珀色、鍍金，顆粒一般小于1毫米。
CBN的晶體結構圖及產品圖（來源：左samaterials，右hyperion）
資料顯示，目前cBN單晶制備最常用的方式是在觸媒作用下用六方氮化硼作原料經高溫高壓（3000～8000Mpa，800～1900℃）制備而成，典型的觸媒材料有堿金屬、堿土金屬、錫、鉛、銻和它們的氮化物等，其他的制備工藝可看下表。
CBN的制備方法簡介
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制備方法 |
制備原理 |
特點 |
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靜態高壓觸媒法 |
以液壓裝置產生高壓、以交流或直流電通過裝試料的石墨發熱體間接加熱產生高溫，在觸媒材料的參與下合成cBN晶體的方法。 |
有效地降低 hBN-cBN相轉變壓力，已成為工業生產cBN的最主要的方法。但存在合成時間長、合成效率低、合成成本高等缺點。 |
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晶種溫度梯度法 |
是一種通過將小顆粒cBN單晶加入觸媒溶劑中作為晶種，添加hBN原料，溶解的B-N在合成腔溫度梯度的作用下到達低溫去的小顆粒cBN單晶，從而在小顆粒單晶表面沉淀呈現生長的方法。 |
能夠生產出毫米量級的大顆粒cBN單晶，且晶體雜質少、高質量，但是合成所需時間較長，合成成本較高。 |
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靜態高溫高壓直接轉變法 |
在高溫高壓條件下實現 hBN 直接轉變為cBN單晶的方法，轉變過程中沒有觸媒的參與。 |
設備成本高、實驗組裝復雜、合成時間長，并不適用于實際工業生產中。 |
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爆炸法 |
主要為利用烈性炸藥爆炸時產生的高溫和高壓（>10 GPa，2000 K）直接作用于 hBN，從而實現 hBN 向 cBN的直接轉變。 |
所需設備簡單、合成成本低及生產效率高，但是存在較大的安全隱患，且得到的晶體后期提純較為困難，不適合大尺寸的制備。 |
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氣相沉積法 |
在高溫和低壓的條件下，在襯底上沉積由氮和硼原子形成的亞穩態氣體，從而得到cBN薄膜的一種方法。 |
不需要使用復雜的高壓設備，生產成本較低，廣泛應用于制備cBN薄膜。 |
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水熱法 |
在一定的溫度和壓力環境下，通過水溶液中的物質發生化學反應，從而得到cBN微晶和納米晶的一種方法。 |
便于操作，實驗成本低，適合制備結晶度較高、密度較低的cBN微晶和納米晶。 |
作為一種不可多得的極限功能材料，cBN的應用前景良好。不過目前國內高硬度材料的研發多集中在金剛石材料及其制品方面，盡管cBN潛力十足卻名聲不顯。到底它都可以做些什么呢？下面一起來看看。
CBN的性質及應用
CBN材料的性能優勢比較突出的有三方面，分別是機械、光學以及電學，下面將介紹cBN在相關領域的性質與應用狀況。
1、機械性能
前面已經介紹過了，cBN單晶的硬度為50 GPa，僅次于金剛石（60~120 GPa），彈性模量值為909 GPa。因此目前cBN單晶最廣泛的應用就是利用它的超高硬度來制造加工其它較硬材料的工具。在高速、高效、高精密加工條件下，立方氮化硼材料都可滿足應用要求。
基于cBN的磨具中，樹脂結合劑磨具在工業生產中的應用最為廣泛。但是，由于工業合成的cBN與樹脂的粘附性較差，使用時容易從結合劑中脫離，對工件造成劃痕，影響使用，因此還需要在cBN表面修飾金屬——其中，最有益的修飾方法是表面鍍覆，通過在表面包覆一層特定厚度的金屬層，就能提高cBN與結合劑的結合能力，增強磨料把持力，掩蓋磨料自身缺陷，大幅度延長磨粒的使用壽命和cBN工具的應用性能。
PCBN 毛坯及刀具（來源：hyperion）
除此之外，c-BN具有極好的熱穩定性，在大氣中直到1300℃才發生氧化，在真空中對c-BN加熱，當溫度高達1 550℃左右才會由c-BN轉變為hBN，而且，cBN不易與過渡金屬發生化學反應，在真空或氬氣氣氛中與鐵鈷鎳的反應溫度高達1350℃，與鐵鎳合金的反應溫度高達1250℃。同時，較高的熱導率使刀具在加工過程中產生的熱可以很快傳遞出去，能夠有效保護被加工工件表面不被燒傷，提高了道具的使用壽命。
不過要注意，由于cBN單晶存在晶粒尺寸小、各向異性、解理面易裂等缺陷，因此實際應用中多使用由許多細晶粒（0.1~100微米）cBN聚結而成的立方氮化硼多晶（PCBN）刀具。PCBN除了具有cBN的大部分特性，還克服了cBN單晶表面定向解理的缺點，因此在機械加工的各個方面都表現出優異的切削性能。
擴展閱讀：比人造金剛石還硬的立方氮化硼
2013年，燕山大學亞穩材料國家重點實驗室田永君課題組以洋蔥狀碳為前驅體，成功制得納米粒度僅為3.8 nm的超硬納米孿晶的立方氮化硼，該成果已于當年在nature上發表。經實驗證明，這種納米孿晶的立方氮化硼在合理的加載力下，硬度均大于100 GPa，超過了人造金剛石單晶，它的成功合成開辟了一個同時提高材料硬度、韌性和熱穩定性的新途徑。
直徑2毫米的納米孿晶立方氮化硼材料
2、光學性能
早期由于受尺寸限制，cBN的光學性質未得到充分研究，隨著cBN尺寸的逐漸增大及薄膜材料的出現，有研究者對本征cBN的光學帶隙進行了探索，其光學帶隙大小的準確測定對開發cBN成為紫外光電子材料至關重要。
Chen等通過紫外可見吸收光譜研究得到，隨著立方相含量的增加，吸收能量更高，光學帶隙增大，立方相含量高于88%的cBN薄膜光學帶隙超過6.0 eV。此外，C-BN在整個可見光譜范圍以及紅外與紫外光譜的很大范圍內都透明，因而可以作為涂層應用在精密的光學儀器窗口作為保護層。
此外，研究發現cBN單晶還具有電致發光和光致發光特性，是優異的發光材料，其本征材料光致發光主要在紫外波段，其電致發光現象主要集中在紫外光和藍紫光范圍內。因而可以據此研發出高性能二極管發光器件、激發器，而滿足特定領域的發光材料應用要求。劉海波利用帶隙發光理論進行研究，建立起這種材料的光致發光理論模型。
3、電學性能
CBN作為超寬禁帶半導體材料，帶隙高達6.4 eV，所以本征的cBN是絕緣的，電阻率大約在1010Ω·cm。研究表明本征或非故意摻雜的cBN表現出p型或n型導電，可能與各種缺陷、紊亂以及生長過程中的非故意摻雜有關。
CBN單晶電學性能優異，具有目前己知的最大禁帶寬度，因此在制備高可靠性半導體材料方面具有明顯優勢，在實際的加工過程中摻雜Be可制成p型半導體或添加S、C、Si等得到n型半導體而滿足相關應用要求。在此基礎上制備出的電路性能顯著提高，且可長時間可靠的使用。如Mishima等人就在高溫高壓下用cBN制成p-n結，該p-n結可以在650℃的高溫條件下工作，為c-BN在高溫電子器件和高溫短波長光電子器件方面的廣泛應用奠定了基礎。
研究人員Siddha Pimputkar就曾說過，“cBN有潛力在更極端的條件下工作，并且可以耐受更高的電壓和電流。電壓越高，輸出相同功率所需的電流就越小。就像輸電線路一樣，我們希望在盡可能高的電壓下運行，以減少通過系統的電流量，從而減少由于系統效率低下而產生的能耗。這反過來又允許人們消除或重新設想電路的整個組成部分，從而減少這些電力轉換器的尺寸，從而降低其成本。”
大尺寸立方氮化硼單晶的制備是一項挑戰
但是cBN在該領域也面臨困境，因為它的大尺寸單晶制備難度很高。大尺寸意味著芯片成本的下降，但cBN單晶的生長時間極其緩慢，比如典型塊狀氮化物晶體的生長速率為每天0.1-1毫米，這就是當前的工業化的困境。
4、熱學性能
CBN單晶導熱率很高，散熱性能良好，可很好的滿足與散熱相關的應用需求。由于粗顆粒CBN單晶制備困難，散熱片多使用多晶CBN，但多晶CBN受純度和晶界的影響，導熱率相對要低，這對其應用性能也產生很明顯的制約，因而很有必要合成出優質的粗顆粒CBN單晶用于散熱片的制作，這也是其未來的主要的應用方向之一。
CBN的發展方向
雖然CBN單晶的應用范圍正持續擴大，但在實際的應用過程中仍主要是基于其硬度高的特點而作為車刀和磨具使用。不過要想擴寬應用領域（如發光器件、半導體、散熱片等）也不容易，都需要用到優質的尺寸較大的CBN單晶，而目前優質粗顆粒CBN單晶由于生產工藝研究的不透徹及合成機理的不明確，制備仍然困難且產能較低，嚴重制約了CBN在上述領域的應用。
因此要充分利用CBN其它的功能特點，不斷開拓其非磨削用途，擴大其應用范圍，合成出大尺寸、高質量的cBN單晶就是未來的研究重點。
資料來源：
劉彩云,高偉,殷紅. 立方氮化硼的研究進展[J]. 人工晶體學報,2022,51(5):781-800. DOI:10.3969/j.issn.1000-985X.2022.05.004.
蔡立超. 優質粗顆粒立方氮化硼單晶的合成工藝與機理研究[D]. 山東:山東大學,2021.
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