Hexagonaal boornitride versus kubisch boornitride

Boornitride Polymorfen worden beschouwd als een belangrijke technologische en wetenschappelijke belofte. Dit komt deels door hun ongelooflijke fasestabiliteit bij hoge temperaturen, groeikinetiek, extreme hardheid en drukbestendigheid. De twee meest voorkomende polymorfen zijn hexagonaal (wit grafietachtig) en kubisch boornitride (diamantachtig).

Deze expeditie tussen hexagonaal boornitride en kubisch boornitride legt de verschillen tussen de polymorfen uit op basis van het volgende:

Structuur en binding

Boornitride is een keramische verbinding die wordt gesynthetiseerd door de chemische reactie van boorzuur, stikstof en booroxide. Deze gids begint bewust met het bekijken van deze verbinding om de structuur en bindingseigenschappen van de polymorfen beter te begrijpen.

Boor behoort tot groep III en maakt deel uit van het p-blok in het periodiek systeem. Dit betekent dat de oxidatietoestand ervan kenmerkend zeer stabiel is. Boor vormt verbindingen met een tekort aan elektronen, waardoor ze bruikbaar zijn als katalysatoren.

Maar in dit geval vormt boor meerdere verbindingen met stikstof, wat resulteert in bindingen die vergelijkbaar zijn met koolstof-koolstofbindingen. Zo zijn koolstof-koolstof- en boor-stikstofbindingen iso-elektronisch, wat betekent dat beide bindingen hetzelfde aantal elektronen hebben. Koolstof, boor en stikstof hebben ook vergelijkbare atoomstralen.

Stikstof heeft atoomnummer 7, wat betekent dat het 7 protonen en 7 elektronen heeft. Boor daarentegen heeft 5 protonen en 5 elektronen. De twee atomen vormen samen 12 protonen en 12 elektronen, net als in een koolstof-koolstofbinding, waarbij elk atoom 6 protonen en 6 elektronen heeft.

Boornitride heeft hetzelfde aantal elektronen als koolstofallotropen – grafiet en diamant. Dit toont aan dat het verschillende kristalstructuren kan vormen, een proces dat bekend staat als polymorfismeHet verschil in structuur is het gevolg van de omstandigheden rondom de chemische reacties, zoals druk, temperatuur, etc.

Hier komen hexagonaal boornitride en kubisch boornitride om de hoek kijken. Wurtzite-boornitride is ook een polymorf van boornitride, maar wordt nauwelijks gebruikt. Hexagonaal en kubisch boornitride worden genoemd naar hun structuur. De ene vormt hexagonale lagen, de andere driedimensionale kubische lagen.

Hexagonaal boornitride (h-BN) is analoog aan wit grafiet, terwijl kubisch boornitride vergelijkbaar is met diamant. h-BN vormt lagen die elkaar overlappen, maar zwak verbonden zijn zoals in grafiet. De zwakke bindingen van de lagen geven h-BN een karakteristieke zachte maar stabiele vorm, waardoor het een waardevol additief is in cosmetica. Deze eigenschap draagt ook bij aan het industriële gebruik ervan als smeermiddel.

Kubisch boornitride (c-BN) vormt daarentegen een gigantische covalente structuur in alle richtingen, die lijkt op de tetraëdrische structuur van diamant. Het is het op één na hardste materiaal na diamant. Elk booratoom bindt zich aan vier stikstofatomen. Evenzo bindt elk stikstofatoom zich aan vier booratomen om sterke covalente bindingen te vormen.

De sterke bindingen tussen de atomen en de sterke krachten die de lagen binden, geven kubisch boornitride een harde structuur. Het wordt daarom gebruikt als snijgereedschap en levert hogere prestaties dan traditionele snijgereedschappen. c-BN wordt ook beschouwd als een van de meest niet-reactieve materialen, vandaar dat het wordt gebruikt als isolator of coatingmiddel.

Stabiliteit en drukweerstand

De atomaire structuur van boornitride biedt chemici een onschatbare verbinding voor industrieel gebruik. Een voorbeeld hiervan zijn h-BN-lagen, die bestaan uit een netwerk van (BN)3-ringen die covalente bindingen vormen. Elke laag is aan elkaar verbonden door vanderwaalskrachten, die niet sterk genoeg zijn om doorglijden te voorkomen. Het is daarom een efficiënt vast smeermiddel en een belangrijk element in tandheelkundig cement, cosmetica (huidverzorgingsproducten en make-up) en verf.

Kubisch boornitride is een heel ander materiaal en wordt meestal gebruikt als schuurmiddel. Deze polymorf heeft de op één na sterkste bindingen, waardoor het ongelooflijk slijtvast is. Deze eigenschap draagt bij aan de taaiheid onder hoge druk en temperatuur. Bovendien is het onoplosbaar in nikkel, ijzer en andere legeringen bij hoge temperaturen. Diamant voldoet niet aan deze eigenschap en lost op.

Hexagonaal boornitride vertoont ook een slechte bevochtigbaarheid tot temperaturen tot wel 900 °C. Het materiaal kan ook worden toegepast bij de productie van legeringen, harsen, rubber, keramiek, enz., waardoor het inherent smerend is.

Thermische geleidbaarheid

Kubiek boornitride heeft een hogere thermische geleidbaarheid vergeleken met h-BN. Dit wordt verklaard door de symmetrische en isotrope eigenschappen. h-BN heeft ook een hoger aantal atomen in de eenheidscel, wat de thermische geleidbaarheid ervan vermindert.

Dit betekent echter niet dat hexagonaal boornitride buiten de boot valt. De thermische geleidbaarheid is hoger dan die van de meeste materialen en keramiek – 300 - 2000 W m1 K1 bij kamertemperatuur. De kubieke variant heeft daarentegen een thermische geleidbaarheid van maar liefst 1300 W/mK.

Hexagonaal BN wordt toegepast in metamaterialen en metaapparaten, terwijl de chemische inertie en optische eigenschappen van c-BN worden benut in industrieën die zich bezighouden met thermisch beheer.

De onderstaande grafiek toont het directe onderscheid tussen hexagonaal en kubisch boornitride op basis van specifieke eigenschappen:

Conclusie

Hoewel hexagonaal en kubisch boornitride enkele overeenkomsten vertonen, hebben ze elk een unieke eigenschap die hun industriële invloed beïnvloedt. Het belangrijkste verschil is de zachte maar stabiele aard van h-BN en de hardheid van c-BN. Je kunt h-BN het beste verwijderen als je een cosmetisch additief nodig hebt en c-BN als je op zoek bent naar een veerkrachtig schuurmiddel.