نتريد البورون: تحضيره، خصائصه، وتطبيقاته

نتريد البورون يُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات النانوية، والفوتونيات، ومستحضرات التجميل، والسيراميك. صلابته تكاد تساوي صلابة الماس. يتميز نيتريد البورون بقوة فائقة، وكثافته المنخفضة، مما يجعله مادة خفيفة الوزن وعالية القوة. وهو معروف باستخدامه في السيراميك الهندسي.

ما هو نتريد البورون؟

نتريد البورون نيتريد البورون مركب غير عضوي. تتكون بلوراته من البورون والنيتروجين، وصيغته الكيميائية BN. يتميز ببنية بلورية مميزة تُشبه بنية الجرافيت. ترجع خصائصه الكيميائية والحرارية القوية بشكل رئيسي إلى بنيته البلورية التي يرتبط فيها البورون بالنيتروجين رابطة تساهمية. يُصنع نيتريد البورون في المختبرات نظرًا لندرته في الطبيعة. يمكن تصنيف نيتريد البورون إلى أشكال مختلفة.

لكل شكل من أشكال نيتريد البورون خصائصه وتطبيقاته المميزة. الأنواع الرئيسية، وبنيتها، وتطبيقاتها موضحة في الجدول:

تخليق نتريد البورون

نظرًا لأن BN غير موجود بكميات يمكن استخدامها في الطبيعة، فيجب فحص جميع نيتريدات البورون التجارية بعناية تحضير نيتريد البورون. يعتمد على الشكل الذي تريده:

إنتاج نتريد البورون السداسي (h-BN)

نتريد البورون السداسي (h-BN)  يُنتَج باستخدام عمليات تجميع فيزيائية أو كيميائية. الطريقة الأكثر شيوعًا هي خلط حمض البوريك (H₃BO₃) أو أكسيد البورون (B₂O₃) مع الأمونيا (NH₃) أو اليوريا. يحدث هذا التفاعل عند درجة حرارة عالية جدًا تتراوح بين 800 و1200 درجة مئوية.

B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O

تحدث هذه العملية عادةً في جو من النيتروجين. ينتج عن هذا التفاعل نتريد البورون الأبيض السداسي مسحوق يمكن ضغطه واستخدامه في تطبيقات مختلفة وهو ساخن.

ومن المثير للاهتمام بعض الشيء أن الشركات المصنعة غالبًا ما تحتاج إلى إضافة شيء مثل فوسفات الكالسيوم في هذه العملية. مركبات البورون تذوب في درجات حرارة منخفضة جدًا، لذا فإنها تتدفق معًا قبل التفاعل بشكل صحيح.

إنتاج نتريد البورون المكعب (c-BN)

يتطلب تخليق نيتريد البورون (c-BN) ضغطًا ودرجة حرارة أعلى. تبدأ العملية عادةً بمسحوق نيتريد البورون h-BN، ثم تتبعها:

1. أضف المحفزات (عادةً ما تكون معدنًا قلويًا أو معدنًا قلويًا للتربة).

2. استخدام ضغط مرتفع للغاية (5 جيجا باسكال، أي حوالي 50000 مرة الضغط الطبيعي)

3. حرارة من حوالي 1500 إلى 2000.

في ظل هذه الظروف القاسية، يتحول هيكل البلورة السداسي إلى بلورة مكعبة. كما يتحول الجرافيت إلى الماس.

طرق التصنيع الجديدة

تتضمن الطرق الجديدة لإنتاج نتريد البورون ما يلي:

• طريقة نمو الطور الكيميائي للبخار (CVD) مناسبة بشكل خاص لإنتاج الأغشية الرقيقة وطلاءات نيتريد البورون.

• طريقة البخار/المكثف المضغوط للحصول على نتائج أكثر نقاءً

• طريقة التراكب للحالات الخاصة تطبيقات نتريد البورون الإلكترونية

تتمتع كل طريقة بمزاياها الفريدة في التحكم في النقاء وحجم البلورة وبنية نتريد البورون.

الخصائص التي تجعل نتريد البورون مميزًا

يتميز نيتريد البورون بخصائص فريدة تجعله شائعًا بشكل متزايد في مختلف الصناعات. لنلقِ نظرة على خصائص نيتريد البورون:

نتريد البورون السداسي (h-BN)

• مظهر: مسحوق نيتريد البورون الأبيض والزلق (يشبه التلك)

• بناء: نمط سداسي متعدد الطبقات (مثل الجرافيت، ذرات البورون والنيتروجين المتناوبة)

• كثافة: نتريد البورون هو مركب كثيف تبلغ كثافته حوالي 2.1 جم / سم³.

• الموصلية الحرارية لنتريد البورون: نقل الحرارة بشكل جيد على طول السطح (حتى W/m·K)

• العزل الكهربائي لنتريد البورون: عازل ممتاز مع فجوة نطاق واسعة (~ 5.9 فولت).

• مداهنة: احتكاك منخفض، وخاصة في درجات الحرارة المرتفعة

• المقاومة الكيميائية: لا يتفاعل مع معظم الأحماض والمعادن المنصهرة

• الاستقرار الحراري: حتى 1000 درجة مئوية في الهواء وحتى 2800 درجة مئوية في الغاز الخامل

لطالما تساءلتُ. يتميز هيكل h-BN بموصلية حرارية عالية جدًا، ولكنه يوفر عزلًا كهربائيًا ممتازًا بفضل نتريد البورون.

نتريد البورون المكعب (c-BN)

• المظهر بلورات من العنبر إلى الأسود

• يبدو مثل الماس على المستوى الذري البنيوي

• تبلغ كثافة نتريد البورون حوالي 3.48 جم/سم³، وهي أعلى بكثير من h-BN.

• صلابة شديدة الصلابة (صلابة موس ~ 9.5)

• الموصلية الحرارية لنتريد البورون: نقل الحرارة بشكل جيد في جميع الاتجاهات (~ W/m·K)

• الاستقرار الكيميائي درجة حرارة أعلى من الماس

• مقاومة الأكسدة: مقاومة الأكسدة حتى 1300 درجة مئوية

• الخصائص الكهربائية للمخدرات لصنع أشباه الموصلات ممكنة

لا يتفاعل نيتريد الكربون-البورون مع المواد المحتوية على الحديد عند درجات حرارة عالية، بينما يتفاعل الماس. لذلك، يُمكن أن يُساعدك نيتريد الكربون-البورون في قطع الفولاذ.

لفهم الخصائص بشكل أفضل، دعونا نجري مقارنة بين الأشكال المختلفة في الجدول أدناه:

أمثلة على الاستخدام الفعلي

قد تتفاجأ بوجود العديد من الصناعات التي تستخدم نتريد البورون. إليك أماكن استخدام نتريد البورون:

التصنيع وتشغيل المعادن

بلورات نتريد البورون المكعبة يمكن أن يساعد الصناعات على تحقيق نتائج أفضل في التطبيقات التالية:

• أدوات القطع للصلب المُطفأ

• حجر طحن قوي للمعادن

• تصنيع عالي الدقة لا يعمل بشكل جيد مع الماس

شكل h-BN مفيد أيضًا:

• مواد التشحيم عالية الحرارة في صب المعادن

• تخفيف القالب في الصب

• بوتقة لصهر المعادن

• طلاء نتريد البورون للحماية من التآكل والتآكل

في الإلكترونيات والإدارة الحرارية

يمكن أن يساعد كلا الشكلين من نتريد البورون في تبريد الأجهزة الإلكترونية وتشغيلها بشكل طبيعي:

• المواد بين المكونات ذات درجة الحرارة العالية ومبددات الحرارة التي تستخدم الموصلية الحرارية العالية لنتريد البورون

• سطح الجهاز الإلكتروني

• طبقة عزل المكثف باستخدام عزل كهربائي ممتاز من نتريد البورون

• مادة لتبديد حرارة الإضاءة LED

نتريد البورون السداسي يعمل بشكل جيد بشكل خاص كقاعدة للجرافين وغيره من المواد الإلكترونية ثنائية الأبعاد، مثل المقاييس الذرية المسطحة.

في مستحضرات التجميل (مفاجأة، أليس كذلك؟)

من المثير للدهشة أن نتريد البورون يُحسّن أداء منتجات التجميل. يُستخدم شكل h-BN على نطاق واسع في مستحضرات التجميل لأنه:

• يخلق ملمسًا ناعمًا وحريريًا

• يساعد على توزيع المنتجات بالتساوي

• يمتص الزيت من الجلد

• يجعل الخطوط الدقيقة أقل وضوحًا

في المرة القادمة عندما تلتقط بعض كريم الأساس أو ظلال العيون أو بودرة الوجه، تحقق من المكونات التي قد تجد فيها نتريد البورون في مستحضرات التجميل.

في تطبيقات الفضاء والحرارة العالية

نتريدات البورون إن القدرة على التعامل مع درجات الحرارة القصوى يمكن أن تساعد في تطبيقات الفضاء الجوي في:

• أنظمة حماية المركبات الفضائية من الحرارة

• أجزاء محركات الصواريخ

• عزل يعمل في درجات الحرارة العالية

• المكونات في توربينات الغاز

في مجالات البحث

العلماء يجدون جديدا استخدامات نتريد البورون في:

• نتريد البورون الأنابيب النانوية (مثل الأنابيب النانوية الكربونية ولكنها أكثر استقرارًا)

• أجهزة الأغشية الرقيقة ل الحوسبة الكمومية

• الغرسات الطبية المتوافقة مع الجسم

• أنواع جديدة من البطاريات وتخزين الطاقة

الاتجاهات المستقبلية

يمكن أن تساعد الأبحاث الجارية حول نيتريد البورون الصناعات على تطوير تطبيقات جديدة في:

• المواد ثنائية الأبعاد: صفائح h-BN فائقة الرقة للإلكترونيات من الجيل التالي

• أنابيب نانوية من نتريد البورون: إصدارات BN من الأنابيب النانوية الكربونية ذات المعالجة الحرارية الفائقة

• التطبيقات الكمومية: استخدام h-BN لحماية المواد الكمومية

• التطبيقات الطبية الحيوية: توصيل الأدوية والتصوير الطبي استكشاف إمكانات التغذية العصبية في

• تخزين الطاقة: مكونات البطاريات والمكثفات المتقدمة

• نتريد البورون المتقدم تكنولوجيا الطلاء لتعزيز حماية المواد.

تظل تكلفة الإنتاج تشكل تحديًا، خاصة مع نتريد البورون المكعبومع ذلك، يستمر البحث عن طرق أكثر كفاءة طرق تصنيع نتريد البورون، مما قد يجعل هذه المادة الرائعة أكثر سهولة في الوصول إليها.

خاتمة

بسبب مزيجها الفريد من الخصائص، نتريد البورون يمكن أن يُسهم في حل تحديات في العديد من الصناعات، من أدوات القطع إلى مستحضرات التجميل. ومع تطور التصنيع، ستجد هذه المادة المذهلة طريقها إلى المزيد من المنتجات.

هل تريد أن تتعلم المزيد عن المواد المتقدمة؟ الدفع مقالاتنا الأخرى عن السيراميك وتطبيقاته الصناعية.