立方氮化硼的合成
立方氮化硼生产工艺
立方氮化硼生产工艺立方氮化硼（Cubic Boron Nitride, CBN）是一种新型的超硬材料，具有硬度高、热稳定性好等优点，在工业生产中有着广泛的应用。
其生产工艺主要包括热压法、全压法和离子束沉积法等。
热压法是制备CBN的传统方法之一。
该方法是将混合了石墨和氮化硼原料的粉末填充到模具中，然后在高温高压下进行热压。
首先，在将粉末填充到模具中之前，需要对原料进行细粉处理，主要是将杂质去除以提高材料的纯度。
然后，在模具中对粉末进行热压处理，通常温度在1700°C以上，压力在5-7GPa之间。
在高温高压下，粉末颗粒之间发生了扩散反应，形成了晶粒之间的结合。
最后，从模具中取出样品，并经过表面处理和切割加工等工艺，最终得到CBN坯体。
全压法是近年来发展起来的一种制备CBN的新方法。
该方法是将石墨和氮化硼原料一同放入模具中，并在高温高压下进行全压处理。
相比于热压法，该方法不需要对原料进行细粉处理，大大减少了生产成本。
然而，该方法的压力和温度相对较高，难以控制，从而影响了产品的质量和生产效率。
离子束沉积法是一种新型的制备CBN的方法。
该方法是利用离子束在负极下，将石墨棒和氮气等原料进行离子化反应，并在基底材料的表面上形成CBN膜。
该方法的特点是不需要高温高压，可以在室温下进行，而且可以通过控制离子束的能量和流量，来调节膜的性能。
然而，该方法的设备复杂，生产周期长，且成本较高。
综上所述，立方氮化硼的生产工艺主要包括热压法、全压法和离子束沉积法等。
每种工艺都有其特点和优缺点，可以根据具体情况选择适应的方法。
随着技术的发展，未来还有可能出现更加高效和经济的生产工艺。
立方氮化硼的合成
p、T也要适当匹配，提高工作压力将导致晶粒 细化；采取“提前升温”和“缓慢升压”措施， 对增大晶粒尺寸和改善质量同样是有效的。 在合成条件下，通常是维持2~5min或更长一些 时间。在稳定的压力温度条件下，CBN晶体随时 间的延长而长大，这也与金刚石生长规律一样。 一般压力为4.5~6.0GPa，温度为 1400~1900℃，合成时间约在2~10 min。
• 立方氮化硼合成所需的设备
我们知道，人造金刚石合成需要六面顶超高压设备，同 样，立方氮化硼的合成也需要这种超高压设备
主 机 电控 系统 主机 液 压 系 统 高压腔示意 图
操 作 台
• 该设备包括主机、电控系统、液压系统、 加热系统和操作台五个部分。 • 能够提供合成立方氮化硼所需要的温度和 压力，以及我们要维持温度和压力所要的 时间。
• 除该设备以外，还需要原材料处理设备，如真空 净化设备，以保障原材料的去湿、脱氧和去除其 他低熔点杂质。处理的目的是充分保证材料的化 学反应活性。 • 混料设备，混料设备的作用是将六方氮化硼和其 他原料充分混合均匀。 • 压料设备，压料设备的目的是将粉体形状的原材 料压制成生产上所需要尺寸的棒料，同时保障棒 料的密度，以利于传压。 • 后处理设备，后处理设备是将立方氮化硼从合成 后的棒料提纯出来。
由于制备工艺的不同，氮化硼的结晶程度可在二维至三 维有序结构(包括中间结构)的很宽的范围内变化。为了表 征氮化硼的三维有序化程度，通常采用Thomas等人定义 的描写三维有序化的石墨化指数G.I表示。定量计算可用 式(14-2)计算。
• 式中：G. I—类石墨结构的BN样品的结晶 化程度—三维有序程度。S—X射线衍射图 上各个特征反射峰(100)、(101)、(102)的 面积。
• 主要原材料：六方氮化硼和触媒
氮化硼的形成原理
氮化硼的形成原理氮化硼（Boron Nitride，简称BN）是一种由硼和氮元素组成的化合物，具有高熔点、高硬度、高热导率等特点，广泛应用于陶瓷、复合材料、润滑剂、高温涂料等领域。
氮化硼的形成原理主要涉及硼和氮元素的反应机理和晶体结构的形成过程。
硼与氮反应形成氮化硼的反应机理主要有以下几种：1. 直接氮化法：硼与氮气直接反应生成氮化硼。
在高温高压条件下，硼可以与氮气发生反应生成四面体或六面体结构的氮化硼。
这种反应需要高温和高压条件下进行，因此反应速度较慢。
2. 间接氮化法：硼和氨反应生成氨气和氮化硼。
这种反应是分两步进行的，首先硼和氨发生反应生成氨气，然后氨气与硼发生反应生成氮化硼。
这种方法不需要高温和高压条件，因此反应速度较快。
3. 模板法：在由硼原子和氨气组成的体系中加入导向剂（模板），在模板的作用下，硼和氮可以结合形成具有特定结构的氮化硼。
这种方法能够控制氮化硼的晶体结构和形貌，提高氮化硼的性能。
氮化硼的形成过程涉及晶体结构的形成，通常有以下几种类型：1. 六方氮化硼（h-BN）：六方氮化硼是氮化硼的一种晶体结构，具有类似石墨的层状结构。
六方氮化硼的晶格由六边形硼氮化物片层堆积而成，硼和氮原子以交替方式排列。
这种结构使得六方氮化硼具有良好的导热性能和化学稳定性。
2. 立方氮化硼（c-BN）：立方氮化硼是氮化硼的另一种晶体结构，也称为金刚石氮化硼。
立方氮化硼的晶格与金刚石的晶格相似，由碳原子和氮原子组成的六角环形状层堆积而成。
立方氮化硼具有高硬度、高热导率和高化学稳定性等优良性能，被广泛应用于高温高压领域。
总之，氮化硼的形成原理主要涉及硼和氮元素的反应机理以及晶体结构的形成过程。
通过不同的反应条件和方法，可以控制氮化硼的形貌和性能，使其适用于不同领域的应用。
氮化硼合成及应用的研究
关于氮化硼合成方案的讨论摘要：氮化硼是一种耐腐蚀材料，也是一种优良的绝缘材料，强度高，耐腐蚀性好。
在现代工业中，氮化硼已广泛应用在在耐火材料和电子工业中得到广泛的应用。
以下三个反应均可以制备氮化硼：B(s）+ 1/2N2 (g) = BN(s)；BCl3(g) + NH3(g) = BN(s)+3HCl(g)；B2O3（s）+ 2NH3（g）= 2BN(s)+3H2O(g)；本文将从反应方向、原料价格以及环保等方面综合考虑，对以上三种方式进行比较分析。
关键词：氮化硼；制备方案；反应方向；原料价格；环保一、氮化硼的分类、性质及应用1．BN的分类、性质氮化硼，化学式为BN，有别称“白石墨”，是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料，包括5种异构体，分别是六方氮化硼(h—BN)，纤锌矿氮化硼(w—BN)，三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c．BN)和斜方氮化硼(o．BN) [1]。
常说的氮化硼一般指的是立方氮化硼或六方氮化硼。
1．1六方氮化硼具有类似石墨的的层状晶体结构，其物理化学性质也与石墨类似，常态时是白色粉末状，呈松散、润滑、易吸潮、质轻等性状。
另外，在导热性、耐高温性、化学稳定性方面也类似石墨。
当然，它的性质与石墨也不尽相同。
例如，氮化硼是一种优良的绝缘材料，而石墨有良好的导电性。
[2]1．2立方氮化硼立方氮化硼有优异的物理化学性能，硬度仅次于金刚石，另外还具有很高的强度，在许多领域中有应用前景。
[3]此外，立方氮化硼是目前使用温度最高的半导体材料，具有高导热性和良好的半导体特性。
但是现有的制备方法又都存在着难于克服的固有缺点，以至于不易使其得到广泛利用。
[3]2.BN的应用图表 1 BN的应用2.1 BN三种合成方案为了更好地发展材料事业，服务国家建设，需要找到合适的合成方法，才能让这种优良的材料发挥作用，书中介绍给我们了三种不同的方法，分别是：①用单质硼B和氮气N2反应：B(s)+1/2N2(g)=BN(s)②用氯化硼BCl3和氨气NH3反应：BCl3(g)+NH3(g)=BN(s)+3HCl(g)③用三氧化二硼B2O3和氨气NH3反应：B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)现在，我从如下几个方面来讨论一下三种方法的利弊，以及工业中最合适的方法[6]。
CBN立方氮化硼
立方氮化硼立方结构的氮化硼，分子式为BN,其晶体结构(图1)类似金刚石，硬度略低于金刚石，为HV72000～98000兆帕，常用作磨料和刀具材料。
1957年，美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。
1简介编辑立方氮化硼cubic boron nitride立方结构的氮化硼，分子式为BN，其晶体结构（图1）类似金刚石，硬度略低于金刚石，为HV72000～98000兆帕，常用作磨料和刀具材料。
1957年，美国的R.H.温托夫首先研制成立方氮化硼。
很长一段时间里，立方氮化硼被认为在自然界不存在，直至2009年，美国加州大学河滨分校、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家和来自中国、德国科研机构的同行一起，在中国青藏高原南部山区地下约306公里深处古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物，其在大约1300摄氏度高温、118430个大气压的高压条件下形成了晶体。
该团队以中国地质科学院地质研究所教授方青松的名字将新矿物命名为qingsongite（后缀ite表示矿物）。
国际矿物学协会在2013年8月正式承认了这是一种新的矿物——立方氮化硼。
其原子结构与金刚石中的碳原子结构类似,因此它具有高密度的特性,硬度可媲美钻石,常被用作磨料和刀具材料。
立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride）是20世纪50年代首先由美国通用电气（GE）公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。
立方氮化硼是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品。
它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外形和较宽的禁带宽度等优异性能，它的硬度仅次于金钢石，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。
立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。
立方氮化硼的性能和应用
立方氮化硼的性能和应用作者：李重阳来源：《科技视界》 2014年第15期李重阳（郑州锐利超硬材料有限公司，河南郑州 450000）【摘要】立方氮化硼（cBN）是由六方氮化硼（hBN）在高温高压下合成的，因其独特的结构和性能在磨削加工行业得到广泛应用,本文就其结构、性能和主要应用范围进行简单介绍。
【关键词】立方氮化硼；热稳定性；应用1 立方氮化硼的结构和性能1.1 立方氮化硼的结构cBN具有类似金刚石的晶体结构，晶格常数相近(金刚石为0.3567nm,cBN为0.3615nm)，且晶体中的结合键基本相同，即都是沿四面体杂化轨道形成的共价键，在cBN的晶体结构，若以碳原子(C)置换氮(N)和硼(B)原子，便形成金刚石的晶体结构。
cBN最典型的几何形状是正四面体晶面与负四面体晶面的结合，常见的形态有：四面体、假八面体、假六面体（扁平的四面体） [1]。
根据cBN的B、N表面腐蚀的显微结构,四面体的cBN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。
二者的特征不同。
1.2 立方氮化硼的性能1.2.1 硬度立方氮化硼莫氏硬度为9.7（金刚石10），维氏硬度为7500（金刚石10000），仅次于金刚石。
超硬材料（立方氮化硼与立方金刚石）的共价键“键角”为109°28′。
正是这个109°28′共价键键角，使得立方氮化硼与立方金刚石具有最高的硬度而被称为超硬材料。
冯士光[2]认为超硬材料存在“三取向”10928定律，即：（1）当体系处于平衡稳定态时，109°28′是力学领域结构强度最高的取向；（2）当体系平衡稳定遭到破坏而处于不稳定状态时，109°28′是“应力能”自发高效地释放时阻力最小的“途径”取向，而裂纹走向即内在应力能释放取向的外在表征；（3）109°28′是空间结构高效、低耗的最优化取向。
1.2.2 强度强度是cBN产品分级和评定其质量的重要指标[3]。
立方氮化硼的结构和基本性质
立方氮化硼的结构和基本性质作者：邢淑芝郭明侯丽新谷开慧来源：《现代交际》2014年第12期[摘要]立方氮化硼单晶具有与金刚石晶体相同的晶体结构。
它具有很高的硬度，其硬度仅次于金刚石;同时，还具有很好的热稳定性，以及较宽的禁带宽度等优异性能。
因此，对立方氮化硼的研究具有重要意义。
[关键词]立方氮化硼禁带宽度[中图分类号]TB303 ;[文献标识码]A ;[文章编号]1009-5349（2014）12-0098-01立方氮化硼（cBN）是一种人工合成的低密度、高硬度、高热稳定性的Ⅲ-V族化合物材料。
cBN单晶具有与金刚石晶体相同的晶体结构，其硬度仅次于金刚石，而热稳定性远高于金刚石;cBN也是Ⅳ族、Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体中禁带最宽的（Eg>6. 2eV）。
cBN独特的性能，使其在高温、高频、大功率电子器件方面、电子和光学领域有巨大的应用前景。
一、立方氮化硼的结构立方氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的Ⅲ-Ⅴ族化合物，化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮。
从晶体中原子的排列方式来看，cBN具有闪锌矿结构，与立方金刚石相似，如图1所示，cBN的结构可以看成由B原子组成的面心立方格子和由N组成的面心立方格子沿对角线错开1/4组成。
每个N（或B）原子周围都有四个B（或N）原子，这四个原子排列在正四面体的顶点上，如图2所示，一个晶胞中含有4个BN分子。
图1立方氮化硼晶体结构图2 B、N原子构成的正四面体cBN没有反演对称中心，它具有F43m对称性，相邻硼和氮原子之间的间距为1.57埃，cBN的晶格常数为（3.615±0.001）埃。
二、立方氮化硼的基本性质（一）立方氮化硼的机械性质物质的硬度与组成晶格的原子间距有关，而且是随着原子间距的减少，晶体硬度增大。
cBN为1.57埃，金刚石原子间的最短距离为1.5埃。
因此，cBN（显微硬度71.54GPa）的硬度稍低于金刚石，但比其他两种主要磨料碳化硅（显微硬度25.48-35.28GPa）和氧化铝（显微硬度17.64-27.44GPa）高得多。
氮化硼合成及应用的研究
山 东 机 械
Ｎ Ｏ ．６，２００４
－１７ －
试验与研究
Ｓ Ｈ Ｉ Ｙ Ａ Ｎ Ｙ Ｕ Ｙ Ａ Ｎ ＪＩＵ
山 东 机 械
的温度，二是在封闭容器中进行，避免了组分挥 发。作为一种低温低压合成方法，被用于在低温 下合成立方氮化硼［９］。
４．２ 苯 热 合 成 作 为 近 几 年 兴 起 的 一 种 低 温纳米材料合成方法，苯热合成受到广泛关注。 苯由于其稳定的共轭结构，是溶剂热合成的优 良溶剂，最近成功地发展成苯热合成技术。如， ［１０］，［１１］ 中 提 到 的 制 备 方 法 ， 其 具 体 反 应 是 Ｂ Ｃ Ｌ３＋Ｌｉ３Ｎ ＝Ｂ Ｎ ＋ ＬｉＣ ｌ或 Ｂ Ｂ ｒ３＋Ｌｉ３Ｎ ＝Ｂ Ｎ ＋ＬｉＣ ｌ． 反应 温度只有 ４５０℃。苯热合成技术可以在相对低的 温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制 得的、在超高压下才能存在的亚稳相。这种方法 实现了低温低压制备立方氮化硼．但是这种方 法尚处于实验研究阶段，是一种很有应用潜力 的合成方法法。
关键词：氮化硼 六方相 立方相 应用 合成
Ｓｔｕｄｙ ｏｆＡ ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＆ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆＢ ｏｒｏｎ Ｎ ｉｔｒｉｄｅ
Ｇ ｕｏ Ｓｈｅｎｇｇｕａｎｇ１ Ｌｕ Ｂ ｏ２ Ｗ ａｎｇ Ｊｉｓｅｎ２ Ｎ ｉｎｇ Ｈ ｏｎｇｔａｏ２ Ｘ ｕ Ｑ ｉｎｇｘｉｎ２ （ １．Ｊｉｎａｎ Ｇ ｅｎｅｒａｌＩｒｏｎ ａｎｄ ＳｔｅｅｌＣ ｏ． ２．Ｃ ｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭ ａｔｅｒｉａｌ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
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• 压料设备，压料设备的目的是将粉体形状的原材 料压制成生产上所需要尺寸的棒料，同时保障棒 料的密度，以利于传压。
• 后处理设备，后处理设备是将立方氮化硼从合成 后的棒料提纯出来。
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• 主要原材料：六方氮化硼和触媒
氮硼化合物
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六方氮化硼
静压触媒法合成CBN，应选择结晶程度低、晶粒度细小、 杂质含量低的BN原料，以利于生长优质CBN。实践表明， 选用乱层结构的BN作原料，有利于获得粒度较粗，质量 较好CBN。所谓乱层结构，是指HBN的各层间不完全对准， 即晶体C轴方向的对应性较差。BN原料纯度要高，若含有 百分之几的氧化物(如B2O3)和水分等杂质，触媒有效性将 显著下降。
立方氮化硼的合成
1
内容
立方氮化硼合成所需的设备 立方氮化硼合成所需的原材料以及对单晶合
成的影响 合成的工艺流程以及后处理工艺 重点讲解：原材料以及对单晶合成的影响
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• 立方氮化硼合成所需的设备
我们知道，人造金刚石合成需要六面顶超高压设备，同 样，立方氮化硼的合成也需要这种超高压设备
主 机
主机
电控 系统
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触媒材料
• 能够合成CBN的触媒材料是多种多样的，这与合成金刚石通常采用周 期表中过渡金属及其合金作触媒的情况有所不同。最初，人们也期望 用金刚石触媒合成CBN,发现不行，转而寻求其他材料。
• 合成CBN的触媒金属或合金元素遍及周期表中的各个区域，包括s区、 d区、ds区和p区，甚至发现某些非金属化合物也能成功地使HBN转化 成为CBN。
• 六方氮化硼也是人工合成的产物，一般有三种制 备方法： (1).以尿素和硼砂为原料生产hBN(以河南地区厂 家为主); (2).以氯化铵和硼砂为原料生产hBN(以山东、东 北厂家为主); (3).以三聚氰胺和硼砂为原料生产hBN(以东北厂家 为主)。
由于制备工艺的不同，氮化硼的结晶程度可在二维至三 维有序结构(包括中间结构)的很宽的范围内变化。为了表 征氮化硼的三维有序化程度，通常采用Thomas等人定义 的描写三维有序化的石墨化指数G.I表示。定量计算可用 式(14-2)计算。
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• 式中：G. I—类石墨结构的BN样品的结晶 化程度—三维有序程度。S—X射线衍射图 上各个特征反射峰(100)、(101)、(102)的 面积。
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• 图14-9为以硼砂和尿素为原料等离子技术 制备BN的X射线衍射图；表14-3中晶粒度 Lc表示六方平面层沿c轴方向的堆积厚度。
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六方氮化硼对合成的影响
• (1)碱金属、碱土金属及其氮化物，如Li、Mg、Ca、Mg3N2等。 • (2)碱金属、碱土金属的硼氮化物，如Mg3B2N4、Ca3B2N4等。 • (3)铝基合金触媒，如 Al-Si、A1-Ni、Al-Cr、Al-Mn、Al-Co等。 • (4)尿素及某些铵化物触媒，如硝酸铵、硼酸铵等。 • (5)水作触媒，其特点是生成的CBN很细。 • (6)周期表中IVB、VB、VIB、VIIB族过渡金属的硼化物、氮化物、硅
• 立方氮化硼合成工艺流程
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• 两个关键工序： • 高温高压合成
合成的温度、压力与所用的触媒原材料有 关。合成压力温度高低以及升温升压程序 对结晶状况的影响，虽不像合成金刚石那 样敏感，但规律性是一致的。主要表现在 以下几方面：工作点的p、T愈接近平衡线， 所获得的尺寸愈大；下图为CBN 相图
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又例如Mg-BN系，无论初始材料用Mg还是 Mg3N2为触媒，但在最后合成CBN过程中 总能找到Mg3B2N4相存在于合成产物中。可 以设想，CBN的生长是通过在BNMg3B2N4共晶液中的溶解及析出过程来完成 的。过量的HBN溶解并以CBN形式析出， 成为Mg-BN系中CBN形成的机制。
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图 BN的P-T相平衡图。在相应的区域，wBN和cBN自发地从hBN中形成
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p、T也要适当匹配，提高工作压力将导致晶粒 细化；采取“提前升温”和“缓慢升压”措施， 对增大晶粒尺寸和改善质量同样是有效的。
在合成条件下，通常是维持2~5min或更长一些 时间。在稳定的压力温度条件下，CBN晶体随时 间的延长而长大，这也与金刚石生长规律一样。
液
压
操
系 统
作 台
高腔示意 图
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• 该设备包括主机、电控系统、液压系统、 加热系统和操作台五个部分。
• 能够提供合成立方氮化硼所需要的温度和 压力，以及我们要维持温度和压力所要的 时间。
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• 除该设备以外，还需要原材料处理设备，如真空 净化设备，以保障原材料的去湿、脱氧和去除其 他低熔点杂质。处理的目的是充分保证材料的化 学反应活性。
化物等作触媒。 • 其中，IA、IIA族元素，和Sn、Pb、Sb以及它们的氮化物作触媒所合
成的CBN呈黑色，而金属硼氮化物触媒所合成的CBN为琥珀色、浅黄 色甚至无色。
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触媒作用机理
• 关于触媒促使BN相变机制，温托夫(Wentorf )推 测这机制包含以下变化：一部分BN形成触媒金属 的氮化物，其余的溶解于生成的触媒氮化物中， 然后从中析出而形成立方结构。就是说，以六方 结构熔融，以立方结构结晶出来。 例如BN-Li3N系统，发现在合成过程中形成了一 种弱结合复合物，其组成接近于Li3N·3BN。认为 这种复合物起着溶剂的作用溶解了剩下的六方氮 化硼。由于合成压力温度处于CBN稳定条件下， 所以溶解了HBN以CBN的形式析出。
此外、还要求较大的密度。这是因为BN和触媒通常是以 粉状混合，如果密度较大，则可减少生长室在受高压挤压 时出现的严重变形。
目前国内实际采用的BN原料大多为乱层结构BN，BN含 量高于95%，密度大于1.9g/cm3。
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• 这里要注意的是结晶程度！ 结晶程度高的六方石墨化度高，经我们实
验，结晶程度高的六方氮化硼有以利于生 长优质CBN，为什么与上面书本上讲的不 一样呢？？？大家请课后思考。
一般压力为4.5~6.0GPa，温度为 1400~1900℃，合成时间约在2~10 min。
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• 提纯工序：包括碱处理、酸处理与水洗等。
为了得到纯净的立方氮化硼晶体，对合成的试样必须经过提纯处理。因 为在合成过程中除了一部分六方氮化硼转化为立方氮化硼以外，还有残余的 未转化的六方氮化硼混在立方氮化硼中，另外在合成过程中还有触媒、混杂 的石墨、叶腊石等，这些必须除掉后才能得到纯净的立方氮化硼晶体。