nitruro di boro È ampiamente utilizzato in nanoelettronica, fotonica, cosmetica e ceramica. La sua durezza è quasi pari a quella del diamante. Il nitruro di boro è molto resistente, con una bassa densità, che lo rende un materiale leggero e ad alta resistenza. È noto per il suo utilizzo nella ceramica ingegneristica.
Che cosa è il nitruro di boro?
nitruro di boro È un composto inorganico. Il suo cristallo è composto da boro e azoto, con formula chimica BN. Ha una struttura cristallina speciale, analoga a quella della grafite. Le sue elevate proprietà chimiche e termiche sono dovute principalmente alla sua struttura cristallina, in cui il boro è legato covalentemente all'azoto. Il nitruro di boro viene sintetizzato in laboratorio a causa della sua scarsità in natura. Il nitruro di boro può essere classificato in molte forme diverse.
Ogni forma o conformazione di nitruro di boro ha proprietà e applicazioni specifiche. I tipi principali, la loro struttura e le loro applicazioni sono riportati nella tabella:
Sintesi del nitruro di boro
Poiché il BN non esiste in quantità utilizzabili in natura, tutto il nitruro di boro commerciale deve essere attentamente sintetizzare il nitruro di boro. Preparazione del nitruro di boro dipende dalla forma che vuoi:
Produzione di nitruro di boro esagonale (h-BN)
Nitruro di boro esagonale (h-BN) Viene prodotto utilizzando processi di assemblaggio fisici o chimici. Il metodo più comune consiste nel miscelare acido borico (H₃BO₃) o ossido di boro (B₂O₃) con ammoniaca (NH₃) o urea. Questa reazione avviene a temperature molto elevate, tra 800 e 1200 °C:
B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O
Questo processo avviene solitamente in atmosfera di azoto. Questa reazione produce un nitruro di boro bianco esagonale polvere che può essere pressata e utilizzata in varie applicazioni mentre è ancora calda.
Un dettaglio interessante è che spesso i produttori devono aggiungere qualcosa come il fosfato di calcio in questo processo. Composti del boro fondono a temperature piuttosto basse, per cui si fondono prima di reagire correttamente.
Produzione di nitruro di boro cubico (c-BN)
La sintesi del nitruro di boro (c-BN) richiede pressioni e temperature più elevate. Il processo di solito inizia con polvere di nitruro di boro h-BN e prosegue con:
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Aggiungere catalizzatori (solitamente metalli alcalini o metalli alcalini nel terreno).
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Utilizzo di pressione molto elevata (5 GPa, circa 50.000 volte la pressione normale)
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Riscaldare da circa 1500 a 2000.
In condizioni così estreme, la struttura cristallina a sei vie si trasforma in un cristallo cubico. Come la grafite che diventa diamante.
Nuovi metodi di produzione
I nuovi metodi di produzione del nitruro di boro includono:
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Metodo di crescita in fase di vapore chimico (CVD), particolarmente adatto per la produzione di film sottili e rivestimenti di nitruro di boro.
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Metodo vapore pressurizzato/condensatore per risultati più puri
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Metodo epitassia per speciale applicazioni elettroniche del nitruro di boro
Ogni metodo presenta vantaggi esclusivi nel controllo della purezza, delle dimensioni dei cristalli e della struttura del nitruro di boro.
Proprietà che rendono speciale il nitruro di boro
Il nitruro di boro possiede proprietà uniche che lo rendono sempre più popolare in diversi settori industriali. Diamo un'occhiata alle caratteristiche del nitruro di boro:
Nitruro di boro esagonale (h-BN)
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Aspetto: Polvere di nitruro di boro bianca e scivolosa (simile al talco)
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Struttura: modello esagonale stratificato (come la grafite, alternando atomi B e N)
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Densità: Il nitruro di boro è un composto denso con densità di circa 2,1 g/cm³.
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Conduttività termica del nitruro di boro: Trasmette bene il calore lungo la superficie (fino a W/m·K)
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Isolamento elettrico in nitruro di boro: Ottimo isolante con ampio band gap (~ 5,9 ev).
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Lubrificazione: basso attrito, soprattutto ad alte temperature
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Resistenza chimica: non reagisce con la maggior parte degli acidi e dei metalli fusi
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Stabilità termica: Fino a 1000°C in aria e fino a 2800°C in gas inerte
Me lo sono sempre chiesto. La struttura h-BN ha un'altissima conduttività termica ma fornisce un eccellente isolamento elettrico in nitruro di boro.
Nitruro di boro cubico (c-BN)
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Aspetto Cristalli da ambra a neri
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Sembra un diamante a livello atomico strutturale
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La densità del nitruro di boro è di circa 3,48 g/cm³, notevolmente superiore a quella dell'h-BN.
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Durezza Estremamente duro (durezza Mohs ~ 9.5)
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Conduttività termica del nitruro di boro: trasportano bene il calore in tutte le direzioni (~ W/m·K)
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Stabilità chimica Temperatura più alta del diamante
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Resistenza all'ossidazione: resistenza all'ossidazione fino a 1300 °C
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Proprietà elettriche È possibile utilizzare il drogaggio per realizzare semiconduttori
Il c-BN non reagisce con i materiali contenenti ferro ad alte temperature, a differenza dei diamanti. Pertanto, il c-BN può essere utile per tagliare l'acciaio.
Per comprendere meglio le proprietà confrontiamo le diverse forme nella tabella sottostante:
Esempi di utilizzo effettivo
Forse vi sorprenderà scoprire che esistono molti settori che utilizzano il nitruro di boro. Ecco dove viene utilizzato:
Produzione e lavorazione dei metalli
Cristalli cubici di nitruro di boro può aiutare le industrie a raggiungere risultati migliori nelle seguenti applicazioni:
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Utensili da taglio per acciaio temprato
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Pietra abrasiva resistente per metalli
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Lavorazione ad alta precisione che non funziona bene con i diamanti
Anche la forma dell'h-BN è utile:
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Lubrificante ad alta temperatura nello stampaggio dei metalli
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Rimozione della muffa nella fusione
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Crogiolo per la fusione dei metalli
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Rivestimento in nitruro di boro per la protezione contro l'usura e la corrosione
In Elettronica e Gestione Termica
Entrambe le forme di nitruro di boro possono aiutare i dispositivi elettronici a raffreddarsi e a funzionare normalmente:
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Materiali tra componenti ad alta temperatura e dissipatori di calore che sfruttano l'elevata conduttività termica del nitruro di boro
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Superficie del dispositivo elettronico
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Strato isolante del condensatore utilizzando un eccellente isolamento elettrico del nitruro di boro
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Materiale per diffondere il calore dell'illuminazione a LED
Nitruro esagonale di boro funziona particolarmente bene come base per il grafene e altri materiali elettronici bidimensionali, come le scale atomiche piatte.
Nei cosmetici (sorprendente, vero?)
Sorprendentemente, il nitruro di boro può aiutare i prodotti cosmetici a ottenere prestazioni migliori. La forma h-BN è ampiamente utilizzata nel trucco perché:
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Crea una sensazione liscia e setosa
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Aiuta i prodotti a distribuirsi uniformemente
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Assorbe l'olio dalla pelle
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Rende le linee sottili meno evidenti
La prossima volta che acquisti un fondotinta, un ombretto o una cipria, controlla gli ingredienti: potresti trovare nitruro di boro nei cosmetici.
Nelle applicazioni aerospaziali e ad alta temperatura
nitruro di boro la capacità di gestire temperature estreme può essere utile per le applicazioni aerospaziali in:
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Sistemi che proteggono i veicoli spaziali dal calore
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Parti dei motori dei razzi
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Isolamento che funziona ad alte temperature
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Componenti nelle turbine a gas
Nei campi di ricerca
Gli scienziati stanno scoprendo nuove usi del nitruro di boro In:
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nitruro di boro nanotubi (come i nanotubi di carbonio ma più stabili)
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Dispositivi a film sottile per calcolo quantistico
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Impianti medici compatibili con il corpo
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Nuovi tipi di batterie e sistemi di accumulo di energia
Direzioni future
La ricerca in corso sul nitruro di boro può aiutare le industrie a sviluppare nuove applicazioni in:
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Materiali 2D: Fogli h-BN ultrasottili per l'elettronica di nuova generazione
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Nanotubi di nitruro di boro: Versioni BN di nanotubi di carbonio con elaborazione termica superiore
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Applicazioni quantistiche: Utilizzo di h-BN per proteggere i materiali quantistici
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Applicazioni biomediche: Somministrazione di farmaci e imaging medico Esplorazione del potenziale del BN in
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Accumulo di energia: componenti avanzati di batterie e condensatori
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Nitruro di boro avanzato tecnologia di rivestimento per migliorare la protezione dei materiali.
I costi di produzione rimangono una sfida, soprattutto con nitruro di boro cubicoTuttavia, la ricerca continua su metodi più efficienti metodi di sintesi del nitruro di boro, il che potrebbe rendere questo meraviglioso materiale più accessibile.
Conclusione
Grazie alla sua combinazione unica di proprietà, nitruro di boro Può contribuire a risolvere le sfide di numerosi settori, dagli utensili da taglio alla cosmetica. Con il miglioramento della produzione, questo straordinario materiale troverà applicazione in un numero sempre maggiore di prodotti.
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