Bornitrid: Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen

Bornitrid Bornitrid wird häufig in der Nanoelektronik, Photonik, Kosmetik und Keramik eingesetzt. Seine Härte entspricht nahezu der von Diamant. Bornitrid ist sehr robust und weist eine geringe Dichte auf, was es zu einem leichten und hochfesten Material macht. Es ist bekannt für seine Verwendung in der technischen Keramik.

Was ist Bornitrid?

Bornitrid ist eine anorganische Verbindung. Ihr Kristall besteht aus Bor und Stickstoff und hat die chemische Formel BN. Es besitzt eine spezielle Kristallstruktur, die der von Graphit ähnelt. Seine starken chemischen und thermischen Eigenschaften verdankt es hauptsächlich seiner Kristallstruktur, in der Bor kovalent an Stickstoff gebunden ist. Bornitrid wird aufgrund seiner Seltenheit in der Natur im Labor synthetisiert. Bornitrid kann in vielen verschiedenen Formen klassifiziert werden.

Jede Form von Bornitrid hat ihre eigenen besonderen Eigenschaften und Anwendungen. Die wichtigsten Typen, ihre Struktur und Anwendungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Synthese von Bornitrid

Da BN in der Natur nicht in nutzbaren Mengen vorkommt, muss jedes kommerzielle Bornitrid sorgfältig Bornitrid synthetisieren. Herstellung von Bornitrid hängt davon ab, welche Form Sie möchten:

Herstellung von hexagonalem Bornitrid (h-BN)

Hexagonales Bornitrid (h-BN)  wird durch physikalische oder chemische Verfahren hergestellt. Die gängigste Methode ist die Mischung von Borsäure (H₃BO₃) oder Boroxid (B₂O₃) mit Ammoniak (NH₃) oder Harnstoff. Diese Reaktion findet bei einer sehr hohen Temperatur von 800-1200 °C statt:

B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O

Dieser Prozess findet üblicherweise in einer Stickstoffatmosphäre statt. Diese Reaktion erzeugt eine hexagonales weißes Bornitrid Pulver, das im heißen Zustand gepresst und für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann.

Etwas interessant: Hersteller müssen bei diesem Verfahren oft etwas wie Calciumphosphat hinzufügen. Borverbindungen schmelzen bei recht niedrigen Temperaturen, sodass sie zusammenfließen, bevor sie richtig reagieren.

Produktion von kubisches Bornitrid (c-BN)

Die Synthese von Bornitrid (c-BN) erfordert höheren Druck und höhere Temperaturen. Der Prozess beginnt üblicherweise mit h-BN-Bornitridpulver und umfasst dann:

1. Katalysatoren hinzufügen (normalerweise Alkalimetalle oder alkalische Bodenmetalle).

2. Verwendung von sehr hohem Druck (5 GPa, etwa das 50.000-fache des Normaldrucks)

3. Hitze von etwa 1500 bis 2000.

Unter solch extremen Bedingungen verändert sich die Sechsfach-Kristallstruktur zu einem kubischen Kristall, so wie Graphit zu Diamant wird.

Neue Fertigungsmethoden

Zu den neuen Verfahren zur Herstellung von Bornitrid gehören:

• Chemisches Gasphasenwachstumsverfahren (CVD), besonders geeignet für die Herstellung von Dünnfilmen und Bornitridbeschichtungen.

• Druckdampf-/Kondensatormethode für reinere Ergebnisse

• Epitaxieverfahren für spezielle elektronische Bornitrid-Anwendungen

Jede Methode hat ihre eigenen einzigartigen Vorteile bei der Kontrolle von Reinheit, Kristallgröße und Bornitridstruktur.

Eigenschaften, die Bornitrid besonders machen

Bornitrid verfügt über einzigartige Eigenschaften, die es in verschiedenen Branchen immer beliebter machen. Schauen wir uns die Eigenschaften von Bornitrid an:

Hexagonales Bornitrid (h-BN)

• Aussehen: Weißes und rutschiges Bornitridpulver (fühlt sich an wie Talkum)

• Struktur: geschichtetes hexagonales Muster (wie Graphit, abwechselnd B- und N-Atome)

• Dichte: Bornitrid ist eine dichte Verbindung mit einer Dichte von etwa 2,1 g/cm³.

• Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid: Leitet Wärme gut entlang der Oberfläche (bis zu W/m·K)

• Elektrische Isolierung aus Bornitrid: Hervorragender Isolator mit großer Bandlücke (~ 5,9 EV).

• Schmierfähigkeit: geringe Reibung, insbesondere bei hohen Temperaturen

• Chemische Beständigkeit: reagiert nicht mit den meisten Säuren und geschmolzenen Metallen

• Thermische Stabilität: Bis 1000 °C in Luft und bis 2800 °C in Schutzgas

Ich habe mich immer gefragt: Die h-BN-Struktur weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, bietet aber eine hervorragende elektrische Bornitrid-Isolierung.

Kubisches Bornitrid (c-BN)

• Aussehen: Bernsteinfarbene bis schwarze Kristalle

• Sieht auf atomarer Strukturebene wie ein Diamant aus

• Die Dichte von Bornitrid beträgt etwa 3,48 g/cm³ und ist damit deutlich höher als die von h-BN.

• Härte Extrem hart (Mohshärte ~ 9.5)

• Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid: leitet die Wärme gut in alle Richtungen (~ W/m·K)

• Chemische Stabilität Höhere Temperatur als Diamant

• Oxidationsbeständigkeit: Oxidationsbeständigkeit bis 1300 °C

• Elektrische Eigenschaften Dope zur Herstellung von Halbleitern ist möglich

c-BN reagiert bei hohen Temperaturen nicht mit eisenhaltigen Materialien, Diamanten hingegen schon. Daher kann c-BN Ihnen beim Schneiden von Stahl helfen.

Um die Eigenschaften besser zu verstehen, vergleichen wir die verschiedenen Formen in der folgenden Tabelle:

Beispiele für die tatsächliche Verwendung

Es mag Sie überraschen, dass Bornitrid in vielen Branchen eingesetzt wird. Hier finden Sie Anwendungsmöglichkeiten:

Fertigung und Metallverarbeitung

Kubische Bornitridkristalle kann der Industrie helfen, in den folgenden Anwendungen bessere Ergebnisse zu erzielen:

• Schneidwerkzeuge für gehärteten Stahl

• Starker Schleifstein für Metall

• Hochpräzise Bearbeitung, die mit Diamanten nicht gut funktioniert

Auch die Form von h-BN ist nützlich:

• Hochtemperaturschmiermittel beim Metallformen

• Formrelief beim Gießen

• Tiegel zum Metallschmelzen

• Bornitrid-Beschichtung zum Schutz vor Verschleiß und Korrosion

In Elektronik und Wärmemanagement

Beide Formen von Bornitrid können dazu beitragen, dass Ihre Elektronik kühlt und normal funktioniert:

• Materialien zwischen Hochtemperaturkomponenten und Kühlkörpern, die die hohe Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid nutzen

• Oberfläche elektronischer Geräte

• Isolierschicht des Kondensators mit hervorragender elektrischer Isolierung aus Bornitrid

• Material zur Wärmeableitung von LED-Beleuchtung

Borhexagonalnitrid eignet sich besonders gut als Basis für Graphen und andere zweidimensionale elektronische Materialien, wie etwa flache atomare Skalen.

In der Kosmetik (überraschend, oder?)

Überraschenderweise kann Bornitrid kosmetischen Produkten zu einer besseren Leistung verhelfen. Die h-BN-Form wird häufig in Make-up verwendet, weil sie:

• Sorgt für ein geschmeidiges, seidiges Gefühl

• Hilft, Produkte gleichmäßig zu verteilen

• Absorbiert Öl von der Haut

• Macht feine Linien weniger sichtbar

Wenn Sie das nächste Mal Grundierung, Lidschatten oder Gesichtspuder kaufen, überprüfen Sie die Inhaltsstoffe der Kosmetika, in denen Sie möglicherweise Bornitrid entdecken.

In der Luft- und Raumfahrt und bei Hochtemperaturanwendungen

Bornitrid Die Fähigkeit, mit extremen Temperaturen umzugehen, kann bei der Luft- und Raumfahrtanwendung hilfreich sein in:

• Systeme, die Raumfahrzeuge vor Hitze schützen

• Teile in Raketentriebwerken

• Isolierung, die bei hohen Temperaturen funktioniert

• Komponenten in Gasturbinen

In Forschungsfeldern

Wissenschaftler finden neue Bornitrid verwendet In:

• Bornitrid Nanoröhren (wie Kohlenstoffnanoröhren, aber stabiler)

• Dünnschichtbauelemente für Quantencomputing

• Körperverträgliche medizinische Implantate

• Neue Arten von Batterien und Energiespeichern

Zukünftige Richtungen

Die laufende Bornitridforschung kann der Industrie dabei helfen, neue Anwendungen in folgenden Bereichen zu entwickeln:

• 2D-Materialien: Ultradünne h-BN-Platten für die Elektronik der nächsten Generation

• Bornitrid-Nanoröhren: BN-Versionen von Kohlenstoffnanoröhren mit überlegener Wärmeverarbeitung

• Quantenanwendungen: Verwendung von h-BN zum Schutz von Quantenmaterialien

• Biomedizinische Anwendungen: Arzneimittelverabreichung und medizinische Bildgebung Erforschung des Potenzials von BN in

• Energiespeicherung: fortschrittliche Batterie- und Kondensatorkomponenten

• Fortschrittliches Bornitrid Beschichtungstechnologie zur Verbesserung des Materialschutzes.

Die Produktionskosten bleiben eine Herausforderung, insbesondere bei kubisches Bornitrid. Die Forschung an effizienteren Methoden zur Synthese von Bornitrid, wodurch dieses wunderbare Material möglicherweise leichter zugänglich wird.

Abschluss

Aufgrund seiner einzigartigen Kombination von Eigenschaften Bornitrid kann zur Lösung von Herausforderungen in zahlreichen Branchen beitragen, von Schneidwerkzeugen bis hin zur Kosmetik. Mit der Verbesserung der Fertigung wird dieses erstaunliche Material seinen Weg in noch mehr Produkte finden.

Möchten Sie mehr über fortschrittliche Materialien erfahren? Kasse unsere anderen Artikel zum Thema Keramik und ihre industriellen Anwendungen.