Boornitride Wordt veel gebruikt in nano-elektronica, fotonica, cosmetica en keramiek. De hardheid is vrijwel gelijk aan die van diamant. Boornitride is zeer sterk en heeft een lage dichtheid, waardoor het een lichtgewicht en zeer sterk materiaal is. Het is bekend om zijn gebruik in technische keramiek.
Wat is boornitride?
Boornitride is een anorganische verbinding. Het kristal bestaat uit boor en stikstof, met de chemische formule BN. Het heeft een speciale kristalstructuur die analoog is aan grafiet. De sterke chemische en thermische eigenschappen zijn voornamelijk te danken aan de kristalstructuur waarin boor covalent gebonden is aan stikstof. Boornitride wordt in laboratoria gesynthetiseerd vanwege de schaarste in de natuur. Boornitride kan in vele verschillende vormen worden geclassificeerd.
Elke vorm van boornitride heeft zijn eigen kenmerkende eigenschappen en toepassingen. De belangrijkste soorten, hun structuur en toepassingen staan in de tabel:
Synthese van boornitride
Omdat BN niet in hoeveelheden voorkomt die in de natuur gebruikt kunnen worden, moet alle commercieel geproduceerde boornitride zorgvuldig gecontroleerd worden. Boornitride synthetiseren. Bereiding van boornitride. hangt af van welke vorm je wilt:
Productie van hexagonaal boornitride (h-BN)
Hexagonaal boornitride (h-BN) Wordt geproduceerd met behulp van fysische of chemische assemblageprocessen. De meest voorkomende methode is het mengen van boorzuur (H₃BO₃) of booroxide (B₂O₃) met ammoniak (NH₃) of ureum. Deze reactie vindt plaats bij een zeer hoge temperatuur van 800-1200 °C:
B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O
Dit proces vindt meestal plaats in een stikstofatmosfeer. Deze reactie produceert een hexagonaal wit boornitride poeder dat, terwijl het heet is, geperst en voor verschillende doeleinden gebruikt kan worden.
Interessant genoeg moeten fabrikanten in dit proces vaak nog calciumfosfaat toevoegen. Boorverbindingen smelten bij vrij lage temperaturen, zodat ze samenvloeien voordat ze goed reageren.
Productie van kubisch boornitride (c-BN)
De synthese van boornitride (c-BN) vereist een hogere druk en een hogere temperatuur. Het proces begint meestal met h-BN boornitridepoeder en gaat dan als volgt:
-
Voeg katalysatoren toe (meestal alkalimetaal of alkalisch bodemmetaal).
-
Gebruik van zeer hoge druk (5 GPa, ongeveer 50.000 keer de normale druk)
-
Verwarm van ongeveer 1500 tot 2000.
Onder zulke extreme omstandigheden verandert de zesvoudige kristalstructuur in een kubisch kristal, net zoals grafiet in diamant verandert.
Nieuwe productiemethoden
Nieuwe methoden voor de productie van boornitride zijn onder meer:
-
Chemische dampfasegroeimethode (CVD), vooral geschikt voor de productie van dunne films en boornitridecoatings.
-
Drukstoom-/condensormethode voor zuiverdere resultaten
-
Epitaxiemethode voor speciale elektronische boornitridetoepassingen
Elke methode heeft zijn eigen unieke voordelen als het gaat om het bepalen van de zuiverheid, kristalgrootte en boornitridestructuur.
Eigenschappen die boornitride bijzonder maken
Boornitride heeft unieke eigenschappen waardoor het steeds populairder wordt in diverse industrieën. Laten we eens kijken naar de kenmerken van boornitride:
Hexagonaal boornitride (h-BN)
-
Verschijning: Wit en glibberig boornitridepoeder (voelt als talk)
-
Structuur: gelaagd hexagonaal patroon (zoals grafiet, afwisselend B- en N-atomen)
-
Dikte: Boornitride is een dichte verbinding met een dichtheid van ongeveer 2,1 g/cm³.
-
Thermische geleidbaarheid van boornitride: Geven warmte goed door langs het oppervlak (tot W/m·K)
-
Boornitride elektrische isolatie: Uitstekende isolator met een brede bandkloof (~ 5,9 ev).
-
Smerend vermogen: lage wrijving, vooral bij hoge temperaturen
-
Chemische bestendigheid: reageert niet met de meeste zuren en gesmolten metalen
-
Thermische stabiliteit: Tot 1000 °C in lucht en tot 2800 °C in inert gas
Ik heb me er altijd over afgevraagd. De h-BN-structuur heeft een zeer hoge thermische geleidbaarheid, maar biedt uitstekende elektrische isolatie met boornitride.
Kubieke boornitride (c-BN)
-
Uiterlijk Amberkleurige tot zwarte kristallen
-
Lijkt op structureel atomair niveau op een diamant
-
De dichtheid van boornitride bedraagt ongeveer 3,48 g/cm³, wat aanzienlijk hoger is dan h-BN.
-
Hardheid Extreem hard (Mohs-hardheid ~ 9.5)
-
Thermische geleidbaarheid van boornitride: warmte goed in alle richtingen geleiden (~ W/m·K)
-
Chemische stabiliteit Hogere temperatuur dan diamant
-
Oxidatiebestendigheid: oxidatiebestendigheid tot 1300 °C
-
Elektrische eigenschappen Dope voor het maken van halfgeleiders is mogelijk
C-BN reageert niet met materialen die ijzer bevatten bij hoge temperaturen, maar diamanten wel. Daarom kan c-BN u helpen bij het snijden van staal.
Om de eigenschappen beter te begrijpen, vergelijken we de verschillende vormen in de onderstaande tabel:
Voorbeelden van feitelijk gebruik
U zult misschien verbaasd zijn dat er veel industrieën zijn die boornitride gebruiken. Hier ziet u waar boornitride wordt gebruikt:
Productie en metaalbewerking
Kubieke kristallen van boornitride kan industrieën helpen betere resultaten te behalen in de volgende toepassingen:
-
Snijgereedschappen voor geblust staal
-
Sterke slijpsteen voor metaal
-
Hoogprecisiebewerking die niet goed werkt met diamanten
De vorm van h-BN is ook nuttig:
-
Hogetemperatuursmeermiddel bij metaalvorming
-
Vormreliëf bij het gieten
-
Smeltkroes voor metaalsmelten
-
Boornitridecoating ter bescherming tegen slijtage en corrosie
In elektronica en thermisch beheer
Beide vormen van boornitride kunnen helpen bij het koelen van uw elektronica en het normaal laten functioneren:
-
Materialen tussen componenten met hoge temperaturen en koellichamen die gebruikmaken van de hoge thermische geleidbaarheid van boornitride
-
Oppervlak van elektronisch apparaat
-
Isolatielaag van condensator met uitstekende elektrische isolatie van boornitride
-
Materiaal om de warmte van LED-verlichting te verspreiden
Boor hexagonaal nitride Werkt bijzonder goed als basis voor grafeen en andere tweedimensionale elektronische materialen, bijvoorbeeld op platte atomaire schaal.
In cosmetica (verrassend, toch?)
Verrassend genoeg kan boornitride cosmetische producten helpen om beter te presteren. De h-BN-vorm wordt veel gebruikt in make-up omdat het:
-
Creëert een glad, zijdeachtig gevoel
-
Helpt producten gelijkmatig te verspreiden
-
Absorbeert olie uit de huid
-
Maakt fijne lijntjes minder zichtbaar
De volgende keer dat u foundation, oogschaduw of gezichtspoeder koopt, let dan op de ingrediënten. Misschien komt u wel boornitride tegen in cosmetica.
In de lucht- en ruimtevaart en bij hoge temperaturen
Boornitride's Het vermogen om extreme temperaturen te weerstaan kan helpen bij toepassingen in de lucht- en ruimtevaart:
-
Systemen die ruimtevaartuigen beschermen tegen hitte
-
Onderdelen in raketmotoren
-
Isolatie die werkt bij hoge temperaturen
-
Componenten in gasturbines
In onderzoeksvelden
Wetenschappers vinden nieuwe boornitride toepassingen in:
-
Boornitride nanotubes (zoals koolstofnanotubes, maar stabieler)
-
Dunnefilm-apparaten voor kwantumcomputers
-
Medische implantaten die compatibel zijn met het lichaam
-
Nieuwe soorten batterijen en energieopslag
Toekomstige richtingen
Doorlopend onderzoek naar boornitride kan industrieën helpen nieuwe toepassingen te ontwikkelen in:
-
2D-materialen: Ultradunne h-BN-vellen voor de volgende generatie elektronica
-
Boornitride nanotubes: BN-versies van koolstofnanotubes met superieure warmtebehandeling
-
Quantumtoepassingen: Het gebruik van h-BN om kwantummaterialen te beschermen
-
Biomedische toepassingen: Geneesmiddeltoediening en medische beeldvorming Het potentieel van BN in de gezondheidszorg onderzoeken
-
Energieopslag: geavanceerde batterij- en condensatorcomponenten
-
Geavanceerd boornitride coatingtechnologie om de bescherming van materialen te verbeteren.
De productiekosten blijven een uitdaging, vooral met kubisch boornitrideEr wordt echter nog steeds onderzoek gedaan naar efficiëntere methoden voor de synthese van boornitride, wat dit prachtige materiaal toegankelijker kan maken.
Conclusie
Door de unieke combinatie van eigenschappen, boornitride Kan helpen bij het oplossen van uitdagingen in tal van sectoren, van snijgereedschap tot cosmetica. Naarmate de productie verbetert, zal dit fantastische materiaal zijn weg vinden naar nog meer producten.
Wilt u meer weten over geavanceerde materialen? Uitchecken onze andere artikelen over keramiek en de industriële toepassingen ervan.