天津工业大学攻克高纯氮化硼陶瓷无压烧结难题

六方氮化硼（h-BN）陶瓷凭借高热导率、优异的电绝缘性及良好的热化学稳定性，在高端电子器件与热管理领域展现出巨大潜力。然而，当前工业生产主要依赖热压烧结工艺，该方法不仅成本高昂，且受限于模具压力，难以制备大尺寸或复杂形状的制品，成品率也相对较低。相比之下，无压烧结工艺具有流程简单、成本低廉且适合大规模生产等优势，但长期以来，由于h-BN自扩散系数极低，通过无压烧结实现致密化一直是一个世界性难题，其相对密度通常低于90%。这一技术瓶颈自h-BN首次合成以来，困扰学术界与工业界长达半个多世纪。

近日，天津工业大学功能晶体研究所何刚教授团队在《先进陶瓷》（Journal of Advanced Ceramics）发表研究成果，报道了一种创新的“水润滑辅助二次冷等静压无压烧结”工艺。该研究不仅阐明了h-BN陶瓷独特层状取向结构的形成机制及其优异热导率的来源，更为制备高密度、低成本的h-BN陶瓷提供了一条极具工业化前景的技术路径。

创新工艺破解致密化难题

“我们借鉴了水润滑效应在室温下使h-BN纳米片致密化的Zui新成功先例，提出了‘室温致密化结合高温结构强化’的技术思路。”何刚教授介绍道。鉴于h-BN在高温下固有的“纸牌屋结构”倾向难以完全消除，研究团队与企业合作，采用商业化微米级h-BN粉末为原料，通过添加水作为润滑剂促进成型过程中的致密化，随后引入二次冷等静压工序，以解决水分蒸发导致的密度下降问题，Zui终通过无压烧结制备出性能媲美热压产品的纯h-BN陶瓷。

这种工艺的核心在于对微观结构的精准调控。经过该工艺处理的h-BN陶瓷由片状晶粒堆叠而成，其c轴平行于单向压力方向排列，形成了高度优选的取向结构，取向偏好指数高达-436，相对密度达到91.90%。

性能指标媲美传统热压产品

得益于紧密堆积的层状结构和无杂质引入，制备出的h-BN陶瓷表现出卓越的平面热导率（57.16 W·m⁻¹·K⁻¹）和介电常数（4.73）。这一性能组合使其成为电子封装材料的理想候选者，能够有效解决高功率密度芯片的散热难题。

尽管该工艺在低成本、大尺寸生产方面优势明显，且热学与介电性能可与传统热压产品相媲美，但在机械性能方面仍面临挑战。未来研究需系统评估其力学特性，以突破高强度应用场景的限制。何刚教授对此进行了客观评估，并提出了切实可行的改进计划。

何刚教授于2015年获中国科学院大学工学博士学位，现任天津工业大学功能晶体研究所教授，主要研究方向为先进陶瓷粉末、光学功能陶瓷的加工科学与工程应用。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12374030和12304455）的资助。

《先进陶瓷》是由清华大学出版社出版的完全开放获取国际学术期刊，2024年影响因子为16.6，在“材料科学：陶瓷”类别中排名第一。该期刊专注于展示先进陶瓷及陶瓷基复合材料加工、结构与性能方面的Zui新理论与实验成果。

中国企业在电子封装材料领域拥有庞大的市场需求和制造基础，此次突破表明国内科研团队已具备从基础工艺创新到工业化落地的全链条能力。无压烧结工艺的引入有望大幅降低高性能氮化硼陶瓷的生产门槛，推动国产高端散热材料在5G通信、新能源汽车等领域的规模化应用，进而提升我国在关键基础材料领域的国际竞争力。