Нитрид бора широко используется в наноэлектронике, фотонике, косметике и керамике. Его твердость почти равна твердости алмаза. Нитрид бора очень прочен, имеет низкую плотность, что делает его легким и высокопрочным материалом. Он хорошо известен своим использованием в инженерной керамике.
Что такое нитрид бора?
Нитрид бора неорганическое соединение. Его кристалл состоит из бора и азота, имея химическую формулу BN. Он имеет особую кристаллическую структуру, которая является аналогом графита. Его сильные химические и термические свойства в основном обусловлены его кристаллической структурой, в которой бор ковалентно связан с азотом. Нитрид бора синтезируется в лабораториях из-за его редкости в природе. Нитрид бора можно классифицировать во многих различных формах.
Каждая форма или вид нитрида бора имеет свои собственные отличительные свойства и применение. Основные типы, их структура и применение приведены в таблице:
Синтез нитрида бора
Поскольку BN не существует в количествах, которые можно использовать в природе, весь коммерческий нитрид бора должен тщательно проверяться. синтезировать нитрид бора. Получение нитрида бора зависит от того, какую форму вы хотите:
Производство гексагонального нитрида бора (h-BN)
Гексагональный нитрид бора (h-BN) производится с использованием физических или химических процессов сборки. Наиболее распространенный метод - смешивание борной кислоты (H₃BO₃) или оксида бора (B₂O₃) с аммиаком (NH₃) или мочевиной. Эта реакция происходит при очень высокой температуре 800-1200 ° C:
B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O
Этот процесс обычно происходит в атмосфере азота. Эта реакция производит гексагональный белый нитрид бора порошок, который можно прессовать и использовать в различных целях, пока он горячий.
Немного интересно, что в этом процессе производителям часто приходится добавлять что-то вроде фосфата кальция. Соединения бора плавятся при довольно низких температурах, поэтому они смешиваются, прежде чем вступить в реакцию.
Производство кубический нитрид бора (c-BN)
Синтез нитрида бора (c-BN) требует более высокого давления и более высокой температуры. Процесс обычно начинается с порошка нитрида бора h-BN, а затем следует:
-
Добавьте катализаторы (обычно щелочные металлы или щелочноземельные металлы).
-
Использование очень высокого давления (5 ГПа, примерно в 50 000 раз больше нормального давления)
-
Тепло примерно от 1500 до 2000.
В таких экстремальных условиях шестигранная кристаллическая структура меняется на кубический кристалл. Как графит становится алмазом.
Новые методы производства
Новые методы производства нитрида бора включают:
-
Метод химического выращивания из паровой фазы (CVD) особенно подходит для производства тонких пленок и покрытий из нитрида бора.
-
Метод сжатого пара/конденсатора для более чистых результатов
-
Метод эпитаксии для специальных электронные применения нитрида бора
Каждый метод имеет свои уникальные преимущества в контроле чистоты, размера кристаллов и структуры нитрида бора.
Свойства, которые делают нитрид бора особенным
Нитрид бора обладает уникальными свойствами, которые делают его все более популярным в различных отраслях промышленности. Давайте рассмотрим характеристики нитрида бора:
Гексагональный нитрид бора (h-BN)
-
Появление: Белый и скользкий порошок нитрида бора (на ощупь как тальк)
-
Структура: слоистая гексагональная структура (как у графита, с чередующимися атомами B и N)
-
Плотность: Нитрид бора — плотное соединение, имеющее плотность около 2,1 г/см³.
-
Теплопроводность нитрида бора: Хорошо передают тепло по поверхности (до Вт/м·К)
-
Электроизоляция из нитрида бора: Превосходный изолятор с широкой запрещенной зоной (~ 5,9 эВ).
-
Смазывающая способность: низкое трение, особенно при высоких температурах
-
Химическая стойкость: не реагирует с большинством кислот и расплавленных металлов
-
Термическая стабильность: До 1000 °C на воздухе и до 2800 °C в инертном газе
Я всегда задавался вопросом. Структура h-BN имеет очень высокую теплопроводность, но обеспечивает отличную электроизоляцию нитрида бора.
Кубический нитрид бора (c-BN)
-
Внешний вид Кристаллы от янтарного до черного цвета
-
На структурном атомном уровне выглядит как алмаз.
-
Плотность нитрида бора составляет около 3,48 г/см³, что значительно выше, чем у h-BN.
-
Твёрдость Чрезвычайно твёрдый (Твёрдость по шкале Мооса ~ 9.5)
-
Теплопроводность нитрида бора: хорошо передают тепло во всех направлениях (~ Вт/м·К)
-
Химическая стабильность. Более высокая температура, чем у алмаза.
-
Стойкость к окислению: стойкость к окислению до 1300 °C
-
Электрические свойства Возможно применение присадки для изготовления полупроводников.
c-BN не реагирует с материалами, содержащими железо, при высоких температурах, но алмазы реагируют. Поэтому c-BN может помочь вам резать сталь.
Чтобы лучше понять свойства, давайте сравним различные формы в таблице ниже:
Примеры реального использования
Вы можете быть удивлены, что существует множество отраслей, в которых используется нитрид бора. Вот где используется нитрид бора:
Производство и металлообработка
Кубические кристаллы нитрида бора может помочь отраслям достичь лучших результатов в следующих областях:
-
Режущий инструмент для закаленной стали
-
Прочный шлифовальный камень для металла
-
Высокоточная обработка, которая плохо работает с алмазами
Форма h-BN также полезна:
-
Высокотемпературная смазка в литье металлов
-
Рельеф формы при литье
-
Тигель для плавки металла
-
Покрытие из нитрида бора для защиты от износа и коррозии
В области электроники и терморегулирования
Обе формы нитрида бора могут помочь вашей электронике остыть и работать нормально:
-
Материалы между высокотемпературными компонентами и радиаторами, использующие высокую теплопроводность нитрида бора
-
Поверхность электронного устройства
-
Изоляционный слой конденсатора с использованием превосходной электроизоляции из нитрида бора
-
Материал для рассеивания тепла светодиодного освещения
Гексагональный нитрид бора особенно хорошо подходит в качестве основы для графена и других двумерных электронных материалов, таких как плоские атомные чешуйки.
В косметике (удивительно, правда?)
Удивительно, но нитрид бора может помочь косметическим продуктам достичь лучших результатов. Форма h-BN широко используется в косметике, потому что она:
-
Создает ощущение гладкости и шелковистости
-
Помогает продуктам равномерно распределяться
-
Поглощает жир с кожи
-
Делает мелкие морщинки менее заметными
В следующий раз, когда вы будете выбирать тональный крем, тени для век или пудру для лица, проверьте состав косметики, в которой вы можете обнаружить нитрид бора.
В аэрокосмической и высокотемпературной промышленности
Нитрид бора Способность выдерживать экстремальные температуры может быть полезна в аэрокосмической отрасли:
-
Системы, защищающие космические аппараты от тепла
-
Детали ракетных двигателей
-
Изоляция, которая работает при высоких температурах
-
Компоненты газовых турбин
В областях исследований
Ученые находят новые нитрида бора применение в:
-
Нитрид бора нанотрубки (похожи на углеродные нанотрубки, но более стабильные)
-
Тонкопленочные устройства для квантовые вычисления
-
Медицинские имплантаты, совместимые с организмом
-
Новые виды батарей и накопителей энергии
Будущие направления
Текущие исследования нитрида бора могут помочь отраслям разработать новые области его применения:
-
2D-материалы: Сверхтонкие листы h-BN для электроники следующего поколения
-
Нанотрубки нитрида бора: BN-версии углеродных нанотрубок с превосходной термообработкой
-
Квантовые приложения: Использование h-BN для защиты квантовых материалов
-
Биомедицинские применения: Доставка лекарств и медицинская визуализация. Изучение потенциала BN в
-
Хранение энергии: усовершенствованные компоненты аккумуляторов и конденсаторов
-
Усовершенствованный нитрид бора технология нанесения покрытий для повышения защиты материала.
Себестоимость производства остается проблемой, особенно с учетом кубический нитрид бора. Однако исследования более эффективных методов продолжаются. Методы синтеза нитрида бора, что может сделать этот замечательный материал более доступным.
Заключение
Благодаря уникальному сочетанию свойств, нитрид бора может помочь решить проблемы во многих отраслях промышленности, от режущих инструментов до косметики. По мере совершенствования производства этот удивительный материал найдет свое применение в еще большем количестве продуктов.
Хотите узнать больше о современных материалах? Проверить наши другие статьи о керамике и ее промышленном применении.