導入
電気絶縁性と熱伝導性について議論する際に特に目立つ先進セラミック材料の一つは 窒化ホウ素. 窒化ホウ素は、セラミックエンジニアやメーカーが求める数々の優れた特性を備えています。興味深いことに、テクノロジーの進歩により、窒化ホウ素の驚くべき特性を最大限に引き出すことが非常に容易になりました。では、「この窒化ホウ素で何ができるのか？」「電気絶縁性や熱伝導性以外に、窒化ホウ素は何に使われているのか？」と疑問に思っているなら、今日の記事は、窒化ホウ素の用途と、なぜ世界中の製造業でこれほど重要になっているのかを説明するのに役立ちます。また、様々な産業における窒化ホウ素の生産方法についても学びます。さあ、始めましょう！
窒化ホウ素とは何ですか?
窒化ホウ素（BN）は、高温条件下でホウ素と窒素を工業的に混合して生成される粉末状の結晶化合物です。無色で非常に硬く、共有結合した印象的な結晶構造を有しています。多くのトレーダーは、特に潤滑性においてグラファイトと類似した特性を持つことから、これを「ホワイトグラファイト」と呼んでいます。窒化ホウ素の硬度と熱安定性は、ダイヤモンドや炭化ケイ素とほぼ同等です。
セラミック市場では様々な形態の窒化ホウ素が見つかります。六方晶窒化ホウ素（HBN）や立方晶窒化ホウ素（CBN）といった形態は、最も一般的なグレードの2つです。しかし、グラファイトとの類似性、独特の安定性、低摩擦性、優れた放熱性から、多くのメーカーは金属鋳造やナノテクノロジーにおいて六方晶窒化ホウ素を使用する傾向があります。また、立方晶窒化ホウ素は、その優れた硬度からも非常に魅力的な選択肢です。そのため、立方晶窒化ホウ素が役立つ主な分野の一つは、高品質の切削工具の製造です。
一般的に、窒化ホウ素は高強度、軽量、そして錆、高温、摩耗、裂傷に対する優れた耐性で知られています。その耐熱性から、多くの製造業で使用されている高耐火性セラミック材料です。主に粉末状で使用されます。 （窒化ホウ素粉末） 高温材料や機器の製造に使用されます。ガラス、ヒートシンク、LEDライト、固体潤滑剤、電気炉、自動車産業や航空宇宙産業で使用されるスペアパーツ、研究室や製造工場で使用されるヒーターやるつぼなどがその例です。窒化ホウ素粉末を用いてこれを実現する方法の一つは、生産量に応じて一定の時間枠内で高温・高圧真空下で焼結することです。
窒化ホウ素の特性
窒化ホウ素の興味深い特性には次のようなものがあります。
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水に溶けない
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極端な温度、酸、その他の強力な化学物質に対して高い耐性があります。
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ヌープ硬度は約45GPaです。
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六方晶窒化ホウ素の密度は3.45 g/cm³であるのに対し、立方晶窒化ホウ素の密度はわずかに低下し、2.1 g/cm³である。
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電子移動度は200 cm²/Vです。
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屈折率は約2.1に達する
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融点は約2,900℃と非常に高い。
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比熱容量は19.7 J/K.molです。
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約1,400～1500℃の閾値温度では、Hbnは鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）などの固体とよく反応します。
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モル質量は24.82 g/molである。
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最大バンドギャップは10.7 eVである。
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熱膨張係数は約2.7である。
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740 W/mKの高い熱伝導率を持つ
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体積弾性率は400GPaである。
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耐摩耗性に優れた固形研磨材です。
窒化ホウ素の産業用途
窒化ホウ素は何に使われているのでしょうか？実のところ、窒化ホウ素は幅広い産業において非常に多くの用途に使用されています。例えば、以下のような用途が挙げられます。
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高温炉のライニングおよび要素の製造。
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ナノテクノロジーでは、窒化ホウ素粉末を使用して、セラミック充填材用の高精度ナノチューブを製造します。
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電気炉、ヒーター、ヒートシンクなどの高性能発熱体の製造。
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生物医学工学および医学では、バイオイメージングや、特定の病気の診断に使用される化学療法薬の製造にこれを使用します。
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電気産業では、窒化ホウ素を使用して、最高の電気部品を製造しています。 電気絶縁体 結晶構造中に自由電子が存在しないため、現在では利用可能となっている。
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現在、冶金産業で製造されている切削工具や研削工具の中には、耐摩耗性があるため窒化ホウ素粉末を使用しているものがあります。
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窒化ホウ素は、MOSFET、真空システム、パワーエレクトロニクス、強力なリチウムイオン電池、LED ライトの製造に役立ちます。
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製造会社は、窒化ホウ素を使用して、射出成形、金属鋳造、るつぼ、ガラスなどに利用される重工業機械を製造しています。
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窒化ホウ素粉末 (Hbn) は、生産機械やトライボロジー分野で使用される固体潤滑剤の一種です。
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窒化ホウ素粉末は、事実上あらゆる種類の材料をコーティングするのに役立ち、錆びることなく十分長持ちします。
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六方晶窒化ホウ素は、化粧品業界で高純度化粧品の製造に使用されています。
窒化ホウ素製造プロセス
高純度窒化ホウ素の製造プロセスはどれも費用対効果の高い方法です。窒化ホウ素は焼結反応が不良な場合があり、特に大規模生産において均一性を維持しようとすると技術的な課題が生じる可能性があります。しかしながら、選択可能な主な窒化ホウ素製造プロセスは以下の4つです。
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化学蒸着法（CVD）：
最も一般的なホウ素製造プロセスの一つは化学蒸着法です。これは高純度の窒化ホウ素粉末を製造できる汎用性の高い方法です。この方法では、ホウ素と窒素の前駆体（アンモニアボランなど）を高温フィラメントで気化させます。気化によって得られた生成物を純粋な基板と反応させることで窒化ホウ素が得られます。求める厚さや粗さに応じて、様々な種類の基板を使用できます。このホウ素製造プロセスは非常にコストがかかりますが、欠陥のある膜や基板を容易に合成することができます。
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物理蒸着法（PVD）：
この方法でも窒化ホウ素を合成できます。CVD法に比べてコストが低く、簡単です。必要なのは、窒化ホウ素ターゲットにイオンを照射し、ターゲット表面に衝突した原子を自動的に放出することだけです。この手順は蒸発に近いため、放出された原子を任意の基板（シリコン基板が望ましい）上で（高温下で）加熱し、蒸発させます。その後、薄膜を作製し、得られた窒化ホウ素を堆積させます。ここでの最大の技術的課題は、堆積した窒化ホウ素膜の制御です。しかし、この方法でも高純度の窒化ホウ素を得ることができます。
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ゾルゲル法：
ゾルゲル窒化ホウ素製造プロセスは主に小規模で使用されている。 Bnの生産 時間がかかるからです。この方法では、窒素とホウ素の無機前駆体、あるいは場合によっては有機前駆体を溶液に混ぜ、加水分解して液体コロイド粒子懸濁液を得ます。次に、クエン酸を加えてゲル化し、溶媒を蒸発させます。スピンコーティングまたはディップコーティング技術を用いて、このゲル溶液から薄い窒化ホウ素膜を得ることができます。この方法はCVDやPVDほど高価ではなく、広く使用されていますが、高品質の窒化ホウ素ナノ粒子を製造するための信頼性の高いプロセスです。蒸発プロセスには1～2日かかる場合があります。そのため、急いでおらず、費用もそれほどかけたくない人にとっては、これは非常に適したホウ素製造プロセスです。
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水熱合成：
この方法では非常に高い温度と圧力がかかります。そのため、適切に制御しないと爆発の危険性があり、危険です。この方法では、金属イオンを含む水熱反応容器で窒素とホウ素化合物の純粋な溶液を得る必要があります。ただし、溶液を加熱・加圧してから、完全に密閉された水熱容器に最大24時間入れておく必要があります。反応速度を上げ、pHを一定に保つ試薬を加えてください。この方法に最適な温度範囲は250℃以下です。必要な反応が起こると、扁平で長い窒化ホウ素のナノサイズの沈殿物が得られます。
よくある質問
窒化ホウ素の最良の形態は何ですか?
窒化ホウ素の最良の形態は、立方晶系および六方晶系の窒化ホウ素グレードタイプです。
六方晶窒化ホウ素はどの温度で工業的に生産できますか?
六方晶窒化ホウ素は、900℃を超える高温下で工業的に生産できるため、極度の温度にも耐えることができます。
なぜ窒化ホウ素は電気絶縁用セラミック材料として最適なものの 1 つと考えられているのでしょうか?
窒化ホウ素は、自由電荷キャリアや自由電子が存在しない複雑な構造を持つため、最も優れた電気絶縁体の 1 つと考えられています。
なぜ窒化ホウ素がドープされるのですか?
一部のメーカーは、窒化ホウ素の磁気特性、電子特性、吸着特性を向上させるためにドーピングを行っています。ドーパント（不純物）の例としては、リン、酸素、鉄（Fe）、炭素などが挙げられます。
結論
窒化ホウ素は、電気・冶金業界をはじめとする多くの分野において、その重要性をいくら強調してもし過ぎることはありません。これまで、電気絶縁性から耐高温性まで、最も求められる特性をいくつかご紹介してきました。高精度切削工具、高温・耐摩耗性機械・装置の製造など、窒化ホウ素はあらゆるニーズに対応します。また、どのような製造方法を採用しても対応可能です。最新情報：世界の窒化ホウ素市場は急速に成長しています。ぜひ今すぐご注文ください。 GGSCeramics当社は、最高品質の窒化ホウ素製品を提供しています。