nitrure de bore Les polymorphes sont considérés comme une promesse technologique et scientifique majeure. Cela s'explique en partie par leur incroyable stabilité de phase à haute température, leur cinétique de croissance, leur dureté extrême et leur résistance à la pression. Les deux polymorphes les plus courants sont le polymorphe hexagonal (de type graphite blanc) et le polymorphe cubique en nitrure de bore (de type diamant).
Cette expédition sur le nitrure de bore hexagonal et le nitrure de bore cubique explique les différences entre les polymorphes sur la base des éléments suivants :
Structure et liaison
Le nitrure de bore est un composé céramique synthétisé par réaction chimique entre l'acide borique, l'azote et l'oxyde de bore. Ce guide commence intentionnellement par examiner ce composé afin de mieux expliquer la structure et les propriétés de liaison de ses polymorphes.
Le bore, pour commencer, appartient au groupe III et au bloc p du tableau périodique. Cela signifie que son état d'oxydation est généralement très stable. Le bore forme des composés pauvres en électrons, ce qui en fait d'excellents catalyseurs.
Mais dans ce cas, le bore forme plusieurs composés avec l'azote, créant des liaisons similaires aux liaisons carbone-carbone. Par exemple, les liaisons carbone-carbone et bore-azote sont isoélectroniques, ce qui signifie qu'elles possèdent le même nombre d'électrons. Le carbone, le bore et l'azote ont également des rayons atomiques similaires.
L'azote a pour numéro atomique 7, ce qui signifie qu'il possède 7 protons et 7 électrons. Le bore, quant à lui, possède 5 protons et 5 électrons. Les deux atomes se combinent pour former 12 protons et 12 électrons, comme dans une liaison carbone-carbone, où chaque atome possède 6 protons et 6 électrons.
Le nitrure de bore possède le même nombre d'électrons que les allotropes du carbone (graphite et diamant). Cela démontre sa capacité à former différentes structures cristallines, un processus appelé polymorphismeLa différence de structure résulte des circonstances entourant les réactions chimiques, notamment la pression, la température, etc.
C'est là qu'interviennent le nitrure de bore hexagonal et le nitrure de bore cubique. Le nitrure de bore wurtzite est également un polymorphe du nitrure de bore, mais il est peu utilisé. Les nitrures de bore hexagonal et cubique sont nommés en fonction de leur structure. L'un forme des couches hexagonales, tandis que l'autre forme des couches cubiques tridimensionnelles.
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est analogue au graphite blanc, tandis que le nitrure de bore cubique est comparable au diamant. Le h-BN forme des couches superposées, mais faiblement liées, comme dans le graphite. Ces faibles liaisons confèrent au h-BN une forme souple et stable caractéristique, ce qui en fait un additif précieux en cosmétique. Cette caractéristique contribue également à son utilisation industrielle comme lubrifiant.
Le nitrure de bore cubique (c-BN), quant à lui, forme une structure covalente géante dans toutes les directions, ressemblant à la structure tétraédrique du diamant. C'est le deuxième matériau le plus dur après le diamant. Chaque atome de bore se lie à quatre atomes d'azote. De même, chaque atome d'azote se lie à quatre atomes de bore pour former des liaisons covalentes fortes.
Les fortes liaisons entre les atomes et les forces importantes qui lient les couches confèrent au nitrure de bore cubique une structure dure. Il est donc utilisé comme outil de coupe, offrant des performances supérieures à celles des outils de coupe traditionnels. Le c-BN fait également partie des matériaux les moins réactifs, d'où son utilisation comme isolant ou agent de revêtement.
Stabilité et résistance à la pression
La structure atomique du nitrure de bore offre aux chimistes un composé précieux pour l'industrie. Par exemple, les couches de h-BN sont constituées d'un réseau de cycles (BN)3 formant des liaisons covalentes. Chaque couche est liée à une autre par des forces de van der Waals, insuffisantes pour empêcher le glissement. C'est donc un lubrifiant solide efficace, un élément clé des ciments dentaires, des cosmétiques (soins de la peau et maquillage) et des peintures.
Le nitrure de bore cubique est un matériau assez différent, principalement utilisé comme abrasif. Ce polymorphe possède la deuxième plus forte liaison, ce qui le rend incroyablement résistant à l'usure. Cette caractéristique contribue à sa robustesse sous haute pression et à haute température. De plus, il est insoluble dans le nickel, le fer et d'autres alliages à haute température. Le diamant n'a pas cette propriété et se dissout.
Le nitrure de bore hexagonal présente également une faible mouillabilité jusqu'à 900 °C. Ce matériau peut également être utilisé dans la production d'alliages, de résines, de caoutchoucs, de céramiques, etc., ce qui en fait des lubrifiants par nature.
Conductivité thermique
Le nitrure de bore cubique a une plus grande conductivité thermique comparé au h-BN. Ceci s'explique par ses propriétés symétriques et isotropes. Le h-BN possède également un nombre plus élevé d'atomes dans sa cellule unitaire, ce qui nuit à sa conductivité thermique.
Cela ne déstabilise cependant pas le nitrure de bore hexagonal. Sa conductivité thermique est supérieure à celle de la plupart des matériaux et céramiques : 300 à 2 000 W m1 K1 à température ambiante. Son homologue cubique, quant à lui, affiche une conductivité thermique impressionnante de 1 300 W/mK.
En tant que tel, le BN hexagonal est appliqué dans les métamatériaux et les métadispositifs tandis que l'inertie chimique et les caractéristiques optiques du c-BN sont exploitées dans les industries de gestion thermique.
Le tableau ci-dessous montre la distinction directe entre le nitrure de bore hexagonal et cubique en fonction de caractéristiques particulières :
|
Caractéristiques |
Nitrure de bore hexagonal (h-BN) |
nitrure de bore cubique (c-BN) |
|
Structure |
Liaisons covalentes fortes avec forces de van der Waals faibles entre les couches |
Des liaisons covalentes fortes relient les atomes dans toutes les directions |
|
Allotropes analogues |
Correspond au graphite. |
Correspond au diamant |
|
Indice de réfraction |
1.8 |
2.1 |
|
Dureté |
Doux, donc utilisé comme lubrifiant |
Dur comme le diamant, donc utilisé comme abrasif |
|
Bande interdite (eV) |
5.9 - 6.4 |
10.1 - 10.7 |
|
Densité relative (g/cm³) |
~2.1 |
~3.45 |
|
Stabilité |
Plus stable que le c-BN |
Moins stable que le h-BN |
|
Conductivité thermique |
Haut |
Supérieur à h-BN |
Conclusion
Bien que le nitrure de bore hexagonal et le nitrure de bore cubique présentent quelques similitudes, chacun possède une propriété unique qui façonne son influence industrielle. La principale différence réside dans la nature souple mais stable du h-BN et la dureté du c-BN. Le h-BN est préférable pour un additif cosmétique et le c-BN pour un abrasif résistant.