Гексагональный нитрид бора против кубического нитрида бора

Нитрид бора Полиморфы считаются крупным технологическим и научным потенциалом. Частично это объясняется их невероятной фазовой стабильностью при высоких температурах, кинетикой роста, чрезвычайной твердостью и устойчивостью к давлению. Два наиболее распространенных полиморфа — гексагональный (белый графитоподобный) и кубический нитрид бора (алмазоподобный).

В этой экспедиции по сравнению гексагонального нитрида бора и кубического нитрида бора объясняются различия между полиморфами на основе следующего:

Структура и связь

Нитрид бора — это керамическое соединение, синтезированное путем химической реакции борной кислоты, азота и оксида бора. Это руководство намеренно начинается с рассмотрения этого соединения, чтобы лучше объяснить структуру его полиморфов и связующие свойства.

Бор, начнем с того, что он является членом III группы и частью p-блока в периодической таблице. Это означает, что его степень окисления характерно очень стабильна. Бор образует соединения, в которых не хватает электронов, что делает их полезными катализаторами.

Но в этом случае бор образует несколько соединений с азотом, что приводит к связям, похожим на связи углерод-углерод. Например, связи углерод-углерод и бор-азот являются изоэлектронными, то есть обе связи имеют одинаковое число электронов. Углерод, бор и азот также имеют схожие атомные радиусы.

Азот имеет атомный номер 7, что означает, что у него 7 протонов и 7 электронов. Бор, с другой стороны, имеет 5 протонов и 5 электронов. Два атома объединяются, образуя 12 протонов и 12 электронов, как в связи углерод-углерод, где каждый атом имеет 6 протонов и 6 электронов.

Нитрид бора имеет такое же количество электронов, как и аллотропы углерода — графит и алмаз. Это демонстрирует его способность образовывать различные кристаллические структуры, процесс, называемый полиморфизм. Различие в структурах обусловлено обстоятельствами, сопутствующими химическим реакциям, включая давление, температуру и т. д.

Вот тут-то и появляются гексагональный нитрид бора и кубический нитрид бора. Вюрцитный нитрид бора также является полиморфом нитрида бора, но почти не используется. Гексагональный и кубический нитрид бора названы в зависимости от их структур. Один образует гексагональные слои, тогда как другой образует трехмерные кубические слои.

Гексагональный нитрид бора (h-BN) аналогичен белому графиту, тогда как кубический нитрид бора сопоставим с алмазом. h-BN образует слои, которые перекрывают друг друга, но при этом слабо прикреплены, как в графите. Слабые связи слоев придают h-BN характерную мягкую, но стабильную форму, что делает его ценной добавкой в косметике. Эта особенность также способствует его промышленному использованию в качестве смазочного материала.

Кубический нитрид бора (c-BN), с другой стороны, образует гигантскую ковалентную структуру во всех направлениях, напоминающую тетраэдрическую структуру алмаза. Это второй по твердости материал после алмаза. Каждый атом бора связывается с четырьмя атомами азота. Аналогично, каждый атом азота связывается с четырьмя атомами бора, образуя сильные ковалентные связи.

Прочные связи, связывающие атомы, и сильные силы, связывающие слои, придают кубическому нитриду бора твердую структуру. Поэтому он используется в качестве режущего инструмента, обеспечивая более высокую производительность, чем традиционные режущие инструменты. c-BN также относится к наиболее нереакционноспособным материалам, поэтому его используют в качестве изолятора или покрывающего агента.

Стабильность и устойчивость к давлению

Атомная структура нитрида бора дает химикам бесценное соединение для промышленного использования. В данном случае слои h-BN состоят из сети колец (BN)3, образующих ковалентные связи. Каждый слой связан с другим силами Ван-дер-Ваальса, недостаточно сильными, чтобы предотвратить скольжение. Таким образом, это эффективная твердая смазка, ключевой элемент в зубном цементе, косметике (то есть средствах по уходу за кожей и макияже) и красках.

Кубический нитрид бора совершенно другой, в основном применяется как абразив. Полиморф имеет вторые по прочности связи, что делает его невероятно износостойким. Эта особенность способствует его прочности в условиях высокого давления и температуры. Кроме того, он нерастворим в никеле, железе и других сплавах в условиях высокой температуры. Алмаз не обладает этим свойством и растворяется.

Гексагональный нитрид бора также демонстрирует плохую смачиваемость вплоть до температур 900 °C. Материал также может применяться в производстве сплавов, смол, резин, керамики и т. д., делая их по своей сути смазочными материалами.

Теплопроводность

Кубический нитрид бора имеет более высокую теплопроводность по сравнению с h-BN. Это объясняется его симметричными и изотропными свойствами. h-BN также имеет большее количество атомов в своей элементарной ячейке, что подрывает его теплопроводность.

Однако это не выбрасывает гексагональный нитрид бора из сетки. Его теплопроводность выше, чем у большинства материалов и керамики – 300 - 2000 Вт м1 К1 при комнатной температуре. В то время как его кубический аналог имеет колоссальную теплопроводность 1300 Вт/мК.

Таким образом, гексагональный BN применяется в метаматериалах и метаустройствах, в то время как химическая инертность и оптические характеристики c-BN используются в отраслях, связанных с терморегулированием.

На приведенной ниже диаграмме показано прямое различие между гексагональным и кубическим нитридом бора на основе определенных характеристик:

Заключение

Хотя гексагональный и кубический нитрид бора демонстрируют некоторые сходства, каждый из них обладает уникальным свойством, которое формирует его промышленное влияние. Основное различие заключается в мягкой, но стабильной природе h-BN и твердости c-BN, вам следует взять h-BN, когда вам нужна косметическая добавка, и c-BN, когда вы ищете упругий абразив.