Azotek boru: jego przygotowanie, właściwości i zastosowania

Azotek boru Azotek boru jest szeroko stosowany w nanoelektronice, fotonice, kosmetyce i ceramice. Jego twardość jest niemal równa diamentowi. Azotek boru jest bardzo wytrzymały, ma niską gęstość, co czyni go lekkim i wytrzymałym materiałem. Jest dobrze znany ze swojego zastosowania w ceramice inżynieryjnej.

Czym jest azotek boru?

Azotek boru Azotek boru jest związkiem nieorganicznym. Jego kryształ składa się z boru i azotu, a jego wzór chemiczny to BN. Posiada on szczególną strukturę krystaliczną, analogiczną do grafitu. Jego silne właściwości chemiczne i termiczne wynikają głównie ze struktury krystalicznej, w której bor jest kowalencyjnie połączony z azotem. Azotek boru jest syntetyzowany w laboratoriach ze względu na jego rzadkość w naturze. Azotek boru można sklasyfikować w wielu różnych formach.

Każda forma lub kształt azotku boru ma swoje własne, wyróżniające właściwości i zastosowania. Główne typy, ich struktura i zastosowania podano w tabeli:

Synteza azotku boru

Ponieważ BN nie występuje w ilościach, które można wykorzystać w naturze, wszystkie komercyjne azotki boru muszą być starannie Syntetyzować azotek boru. Przygotowanie azotku boru zależy jaki kształt chcesz uzyskać:

Produkcja heksagonalnego azotku boru (h-BN)

Heksagonalny azotek boru (h-BN)  Jest wytwarzany w procesach fizycznego lub chemicznego montażu. Najpopularniejszą metodą jest mieszanie kwasu borowego (H₃BO₃) lub tlenku boru (B₂O₃) z amoniakiem (NH₃) lub mocznikiem. Reakcja ta zachodzi w bardzo wysokiej temperaturze 800–1200°C:

B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O

Proces ten zwykle zachodzi w atmosferze azotu. Reakcja ta wytwarza heksagonalny biały azotek boru proszek, który można sprasować i wykorzystać w różnych zastosowaniach, gdy jest gorący.

Ciekawostką jest, że w tym procesie producenci często muszą dodać coś w rodzaju fosforanu wapnia. Związki boru topią się w dość niskich temperaturach, dzięki czemu łączą się ze sobą zanim zareagują prawidłowo.

Produkcja sześcienny azotek boru (c-BN)

Synteza azotku boru (c-BN) wymaga wyższego ciśnienia i wyższej temperatury. Proces zazwyczaj rozpoczyna się od proszku azotku boru h-BN, a następnie przebiega następująco:

1. Dodaj katalizatory (zwykle metale alkaliczne lub metale alkaliczne ziemne).

2. Zastosowanie bardzo wysokiego ciśnienia (5 GPa, około 50 000 razy wyższego od ciśnienia normalnego)

3. Podgrzewaj od około 1500 do 2000.

W tak ekstremalnych warunkach sześcioelementowa struktura krystaliczna zmienia się w kryształ sześcienny. Tak jak grafit staje się diamentem.

Nowe metody produkcji

Nowe metody produkcji azotku boru obejmują:

• Metoda chemicznego wzrostu z fazy gazowej (CVD) szczególnie przydatna do produkcji cienkich warstw i powłok z azotku boru.

• Metoda pary sprężonej/kondensatora dla uzyskania czystszych rezultatów

• Metoda epitaksji do celów specjalnych elektroniczne zastosowania azotku boru

Każda z metod ma swoje unikalne zalety w zakresie kontrolowania czystości, wielkości kryształów i struktury azotku boru.

Właściwości, które czynią azotek boru wyjątkowym

Azotek boru ma unikalne właściwości, które sprawiają, że cieszy się coraz większą popularnością w różnych gałęziach przemysłu. Przyjrzyjmy się jego charakterystyce:

Heksagonalny azotek boru (h-BN)

• Wygląd: Biały i śliski proszek azotku boru (w dotyku przypomina talk)

• Struktura: warstwowy wzór heksagonalny (jak grafit, naprzemiennie ułożone atomy B i N)

• Gęstość: Azotek boru to gęsty związek chemiczny o gęstości około 2,1 g/cm³.

• Przewodność cieplna azotku boru: Dobrze przenosi ciepło wzdłuż powierzchni (do W/m·K)

• Izolacja elektryczna z azotku boru: Doskonały izolator z szeroką przerwą pasmową (~ 5,9 ev).

• Smarowność: niskie tarcie, szczególnie w wysokich temperaturach

• Odporność chemiczna: nie reaguje z większością kwasów i stopionych metali

• Stabilność termiczna: Do 1000°C w powietrzu i do 2800°C w gazie obojętnym

Zawsze się nad tym zastanawiałem. Struktura h-BN ma bardzo wysoką przewodność cieplną, ale zapewnia doskonałą izolację elektryczną azotkiem boru.

Sześcienny azotek boru (c-BN)

• Wygląd Kryształy od bursztynowego do czarnego

• Wygląda jak diament na poziomie strukturalnym atomowym

• Gęstość azotku boru wynosi około 3,48 g/cm³ i jest znacznie wyższa niż h-BN.

• Twardość Bardzo twarda (Twardość w skali Mohsa ~ 9.5)

• Przewodność cieplna azotku boru: dobrze przewodzą ciepło we wszystkich kierunkach (~ W/m·K)

• Stabilność chemiczna Wyższa temperatura niż w przypadku diamentu

• Odporność na utlenianie: odporność na utlenianie do 1300°C

• Właściwości elektryczne Możliwe jest zastosowanie domieszki do produkcji półprzewodników

c-BN nie reaguje z materiałami zawierającymi żelazo w wysokich temperaturach, natomiast diamenty reagują. Dlatego c-BN może być pomocny w cięciu stali.

Aby lepiej zrozumieć właściwości, porównajmy różne formy w poniższej tabeli:

Przykłady rzeczywistego wykorzystania

Możesz być zaskoczony, że azotek boru jest wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu. Oto, gdzie go stosuje się:

Produkcja i obróbka metali

Kryształy sześcienne azotku boru może pomóc przedsiębiorstwom osiągnąć lepsze wyniki w następujących zastosowaniach:

• Narzędzia skrawające do stali hartowanej

• Mocny kamień szlifierski do metalu

• Wysoka precyzja obróbki, która nie sprawdza się w przypadku diamentów

Przydatny jest również kształt h-BN:

• Smar wysokotemperaturowy do formowania metali

• Odciążenie pleśni w odlewach

• Tygiel do topienia metali

• Powłoka z azotku boru chroniąca przed zużyciem i korozją

W elektronice i zarządzaniu cieplnym

Obie formy azotku boru mogą pomóc w chłodzeniu i normalnym działaniu urządzeń elektronicznych:

• Materiały pomiędzy komponentami wysokotemperaturowymi a radiatorami wykorzystujące wysoką przewodność cieplną azotku boru

• Powierzchnia urządzenia elektronicznego

• Warstwa izolacyjna kondensatora wykorzystująca doskonałą izolację elektryczną z azotku boru

• Materiał rozpraszający ciepło oświetlenia LED

Azotek heksagonalny boru sprawdza się szczególnie dobrze jako baza dla grafenu i innych dwuwymiarowych materiałów elektronicznych, np. płaskich skal atomowych.

W kosmetyce (Zaskakujące, prawda?)

Co zaskakujące, azotek boru może pomóc produktom kosmetycznym osiągnąć lepszą wydajność. Forma h-BN jest szeroko stosowana w makijażu, ponieważ:

• Tworzy gładką, jedwabistą konsystencję

• Pomaga równomiernie rozprowadzać produkty

• Wchłania olej ze skóry

• Sprawia, że drobne linie stają się mniej widoczne

Następnym razem, gdy będziesz kupować podkład, cień do powiek lub puder do twarzy, sprawdź skład kosmetyków – możesz w nich znaleźć azotek boru.

W zastosowaniach lotniczych i wysokotemperaturowych

Azotek boru Możliwość radzenia sobie z ekstremalnymi temperaturami może być pomocna w zastosowaniach aeronautycznych w:

• Systemy chroniące statki kosmiczne przed ciepłem

• Części silników rakietowych

• Izolacja działająca w wysokich temperaturach

• Elementy turbin gazowych

W dziedzinach badawczych

Naukowcy odkrywają nowe zastosowania azotku boru W:

• Azotek boru nanorurki (podobne do nanorurek węglowych, ale bardziej stabilne)

• Urządzenia cienkowarstwowe Do komputery kwantowe

• Implanty medyczne kompatybilne z ciałem

• Nowe rodzaje baterii i magazynowania energii

Przyszłe kierunki

Trwające badania nad azotkiem boru mogą pomóc przedsiębiorstwom w opracowaniu nowych zastosowań w następujących obszarach:

• Materiały 2D: Ultracienkie arkusze h-BN do elektroniki nowej generacji

• Nanorurki z azotku boru: Wersje BN nanorurek węglowych o lepszej obróbce cieplnej

• Zastosowania kwantowe: Wykorzystanie h-BN do ochrony materiałów kwantowych

• Zastosowania biomedyczne: Dostarczanie leków i obrazowanie medyczne Badanie potencjału BN w

• Magazynowanie energii: zaawansowane komponenty baterii i kondensatorów

• Zaawansowany azotek boru technologia powlekania zwiększająca ochronę materiału.

Koszty produkcji pozostają wyzwaniem, zwłaszcza w przypadku sześcienny azotek boru. Jednak badania nad bardziej efektywnymi rozwiązaniami trwają nadal metody syntezy azotku boru, co może uczynić ten wspaniały materiał bardziej przystępnym.

Wniosek

Ze względu na unikalne połączenie właściwości, azotek boru może pomóc rozwiązać problemy w wielu branżach, od narzędzi skrawających po kosmetyki. Wraz z rozwojem produkcji, ten niesamowity materiał znajdzie zastosowanie w jeszcze większej liczbie produktów.

Chcesz dowiedzieć się więcej o zaawansowanych materiałach? Wymeldować się nasze inne artykuły na temat ceramiki i jej zastosowań przemysłowych.