Hexagonales Bornitrid vs. kubisches Bornitrid

Bornitrid Polymorphe gelten als großes technologisches und wissenschaftliches Potenzial. Ein Grund dafür ist ihre unglaubliche Phasenstabilität bei hohen Temperaturen, ihre Wachstumskinetik, ihre extreme Härte und Druckbeständigkeit. Die beiden häufigsten Polymorphe sind hexagonal (weiß-graphitähnlich) und kubisches Bornitrid (diamantähnlich).

Diese Expedition zum Thema hexagonales Bornitrid vs. kubisches Bornitrid erklärt die Unterschiede zwischen den Polymorphen anhand der folgenden Punkte:

Struktur und Bindung

Bornitrid ist eine keramische Verbindung, die durch die chemische Reaktion von Borsäure, Stickstoff und Boroxid synthetisiert wird. Dieser Leitfaden beginnt bewusst mit der Betrachtung dieser Verbindung, um die Struktur und Bindungseigenschaften ihrer Polymorphe besser zu erklären.

Bor gehört zur Gruppe III und zum p-Block des Periodensystems. Das bedeutet, dass seine Oxidationsstufe charakteristischerweise sehr stabil ist. Bor bildet Verbindungen mit Elektronenmangel, was sie zu nützlichen Katalysatoren macht.

In diesem Fall bildet Bor jedoch mehrere Verbindungen mit Stickstoff, wodurch Bindungen entstehen, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen ähneln. Beispielsweise sind Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Bor-Stickstoff-Bindungen isoelektronisch, d. h. beide Bindungen haben die gleiche Elektronenanzahl. Kohlenstoff, Bor und Stickstoff haben zudem ähnliche Atomradien.

Stickstoff hat die Ordnungszahl 7, d. h. er besitzt 7 Protonen und 7 Elektronen. Bor hingegen besitzt 5 Protonen und 5 Elektronen. Die beiden Atome bilden zusammen 12 Protonen und 12 Elektronen, genau wie in einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, in der jedes Atom 6 Protonen und 6 Elektronen besitzt.

Bornitrid hat die gleiche Anzahl an Elektronen wie Kohlenstoffallotrope – Graphit und Diamant. Dies zeigt seine Fähigkeit, verschiedene Kristallstrukturen zu bilden, ein Prozess, der PolymorphismusDie Strukturunterschiede ergeben sich aus den Umständen der chemischen Reaktionen, wie Druck, Temperatur usw.

Hier kommen hexagonales und kubisches Bornitrid ins Spiel. Wurtzit-Bornitrid ist ebenfalls ein Bornitrid-Polymorph, wird aber kaum verwendet. Hexagonales und kubisches Bornitrid werden nach ihrer Struktur benannt. Das eine bildet hexagonale Schichten, das andere dreidimensionale kubische Schichten.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) entspricht weißem Graphit, während kubisches Bornitrid mit Diamant vergleichbar ist. h-BN bildet Schichten, die sich überlappen, aber wie Graphit nur schwach miteinander verbunden sind. Die schwachen Bindungen der Schichten verleihen h-BN eine charakteristische weiche und dennoch stabile Form, die es zu einem wertvollen Zusatzstoff in Kosmetika macht. Diese Eigenschaft trägt auch zu seiner industriellen Verwendung als Schmiermittel bei.

Kubisches Bornitrid (c-BN) hingegen bildet in alle Richtungen eine riesige kovalente Struktur, die der tetraedrischen Anordnung von Diamanten ähnelt. Es ist nach Diamant das zweithärteste Material. Jedes Boratom verbindet sich mit vier Stickstoffatomen. Ebenso verbindet sich jedes Stickstoffatom mit vier Boratomen und bildet so starke kovalente Bindungen.

Die starken Bindungen zwischen den Atomen und die starken Kräfte zwischen den Schichten verleihen kubischem Bornitrid eine harte Struktur. Es wird daher als Schneidwerkzeug eingesetzt und bietet eine höhere Leistung als herkömmliche Schneidwerkzeuge. c-BN zählt zudem zu den reaktionsträgesten Materialien und wird daher als Isolator oder Beschichtungsmittel verwendet.

Stabilität und Druckbeständigkeit

Die atomare Struktur von Bornitrid bietet Chemikern eine wertvolle Verbindung für die Industrie. Ein Beispiel hierfür sind h-BN-Schichten, die aus einem Netzwerk von (BN)3-Ringen bestehen, die kovalente Bindungen bilden. Jede Schicht ist durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden, die jedoch nicht stark genug sind, um ein Durchrutschen zu verhindern. Bornitrid ist daher ein effizientes Festschmiermittel und ein wichtiger Bestandteil von Zahnzement, Kosmetika (z. B. Hautpflege- und Make-up-Produkten) und Farben.

Kubisches Bornitrid ist ganz anders und wird hauptsächlich als Schleifmittel eingesetzt. Der Polymorph weist die zweitstärksten Bindungen auf und ist daher äußerst verschleißfest. Diese Eigenschaft trägt zu seiner Zähigkeit unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen bei. Außerdem ist es unter Hochtemperaturbedingungen in Nickel, Eisen und anderen Legierungen unlöslich. Diamant erfüllt diese Eigenschaft nicht und löst sich auf.

Hexagonales Bornitrid weist zudem eine schlechte Benetzbarkeit bis zu Temperaturen von bis zu 900 °C auf. Das Material kann auch bei der Herstellung von Legierungen, Harzen, Gummi, Keramik usw. eingesetzt werden, da es ihnen eine natürliche Schmierwirkung verleiht.

Wärmeleitfähigkeit

Kubisches Bornitrid hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu h-BN. Dies erklärt sich durch seine symmetrischen und isotropen Eigenschaften. h-BN hat außerdem eine höhere Anzahl von Atomen in seiner Elementarzelle, was seine Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt.

Dies schließt hexagonales Bornitrid jedoch nicht aus. Seine Wärmeleitfähigkeit ist höher als die der meisten Materialien und Keramiken – 300–2.000 W/mK bei Raumtemperatur. Sein kubisches Gegenstück hingegen weist eine Wärmeleitfähigkeit von satten 1300 W/mK auf.

So wird hexagonales BN in Metamaterialien und Metageräten eingesetzt, während die chemische Inertheit und die optischen Eigenschaften von c-BN in der Wärmemanagementindustrie genutzt werden.

Die folgende Tabelle zeigt die direkte Unterscheidung zwischen hexagonalem und kubischem Bornitrid anhand bestimmter Eigenschaften:

Abschluss

Obwohl hexagonales und kubisches Bornitrid einige Gemeinsamkeiten aufweisen, besitzt jedes eine einzigartige Eigenschaft, die seinen industriellen Einfluss prägt. Der Hauptunterschied liegt in der Weichheit und Stabilität von h-BN und der Härte von c-BN. Für kosmetische Additive empfiehlt sich h-BN, für ein widerstandsfähiges Schleifmittel c-BN.