Nitrua Bo: Điều chế, Tính chất và Ứng dụng

Nitrua bo Được sử dụng rộng rãi trong điện tử nano, quang tử, mỹ phẩm và gốm sứ. Độ cứng của nó gần bằng kim cương. Bo nitrua rất bền, có mật độ thấp, khiến nó trở thành vật liệu nhẹ và có độ bền cao. Nó được biết đến rộng rãi nhờ ứng dụng trong gốm kỹ thuật.

Bo Nitride là gì?

Nitrua bo là một hợp chất vô cơ. Tinh thể của nó được tạo thành từ boron và nitơ, có công thức hóa học là BN. Nó có cấu trúc tinh thể đặc biệt tương tự như than chì. Tính chất hóa học và nhiệt mạnh mẽ của nó chủ yếu là do cấu trúc tinh thể, trong đó boron liên kết cộng hóa trị với nitơ. Boron nitrua được tổng hợp trong phòng thí nghiệm do sự khan hiếm của nó trong tự nhiên. Boron nitrua có thể được phân loại thành nhiều dạng khác nhau.

Mỗi dạng hoặc hình dạng của bo nitrua đều có những đặc tính và ứng dụng riêng biệt. Các loại chính, cấu trúc và ứng dụng của chúng được trình bày trong bảng sau:

Tổng hợp Bo Nitride

Vì BN không tồn tại với số lượng có thể sử dụng trong tự nhiên nên tất cả các loại boron nitride thương mại phải được xử lý cẩn thận tổng hợp boron nitrua. Chuẩn bị boron nitrua phụ thuộc vào hình dạng bạn muốn:

Sản xuất Nitride Bo lục giác (h-BN)

Nitrua bo lục giác (h-BN)  được sản xuất bằng quy trình lắp ráp vật lý hoặc hóa học. Phương pháp phổ biến nhất là trộn axit boric (H₃BO₃) hoặc oxit bo (B₂O₃) với amoniac (NH₃) hoặc urê. Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ rất cao, từ 800-1200 °C:

B₂O₃ + 2NH₃ → 2BN + 3H₂O

Quá trình này thường xảy ra trong khí quyển nitơ. Phản ứng này tạo ra một nitrua bo trắng lục giác bột có thể ép và sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau khi còn nóng.

Có một điều thú vị là các nhà sản xuất thường cần thêm một thứ gì đó như canxi photphat vào quá trình này. Hợp chất Bo nóng chảy ở nhiệt độ khá thấp, do đó chúng chảy vào nhau trước khi phản ứng đúng cách.

Sản xuất của nitrua bo khối (c-BN)

Quá trình tổng hợp boron nitride (c-BN) đòi hỏi áp suất và nhiệt độ cao hơn. Quy trình thường bắt đầu bằng bột boron nitride h-BN và sau đó theo trình tự sau:

1. Thêm chất xúc tác (thường là kim loại kiềm hoặc kim loại kiềm đất).

2. Sử dụng áp suất rất cao (5 GPa, gấp khoảng 50.000 lần áp suất bình thường)

3. Nhiệt độ từ khoảng 1500 đến 2000.

Trong điều kiện khắc nghiệt như vậy, cấu trúc tinh thể sáu chiều sẽ chuyển thành tinh thể lập phương. Giống như than chì biến thành kim cương.

Phương pháp sản xuất mới

Các phương pháp mới để sản xuất bo nitrua bao gồm:

• Phương pháp phát triển pha hơi hóa học (CVD) đặc biệt thích hợp để sản xuất màng mỏng và lớp phủ bo nitrua.

• Phương pháp ngưng tụ/hơi nước áp suất cao cho kết quả tinh khiết hơn

• Phương pháp epitaxy cho đặc biệt ứng dụng của boron nitride điện tử

Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng trong việc kiểm soát độ tinh khiết, kích thước tinh thể và cấu trúc nitrua bo.

Các tính chất làm cho Boron Nitride trở nên đặc biệt

Bo nitrua có những đặc tính độc đáo khiến nó ngày càng được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Hãy cùng xem xét các đặc tính của bo nitrua:

Nitride Bo lục giác (h-BN)

• Vẻ bề ngoài: Bột boron nitride màu trắng và trơn (cảm giác giống như bột talc)

• Kết cấu: mẫu hình lục giác xếp lớp (giống như than chì, các nguyên tử B và N xen kẽ)

• Tỉ trọng: Nitrua bo là một hợp chất đặc có mật độ khoảng 2,1 g/cm³.

• Độ dẫn nhiệt của bo nitrua: Truyền nhiệt tốt dọc theo bề mặt (lên đến W/m·K)

• Vật liệu cách điện Nitride Bo: Chất cách điện tuyệt vời với khoảng cách băng tần rộng (~ 5,9 ev).

• Độ bôi trơn: ma sát thấp, đặc biệt là ở nhiệt độ cao

• Khả năng chống hóa chất: không phản ứng với hầu hết các axit và kim loại nóng chảy

• Độ ổn định nhiệt: Lên đến 1000 ° C trong không khí và lên đến 2800 ° C trong khí trơ

Tôi vẫn luôn thắc mắc. Cấu trúc h-BN có độ dẫn nhiệt rất cao nhưng lại cung cấp khả năng cách điện tuyệt vời bằng boron nitride.

Nitrua Bo lập phương (c-BN)

• Ngoại hình: Màu hổ phách đến tinh thể màu đen

• Trông giống như một viên kim cương ở cấp độ nguyên tử cấu trúc

• Mật độ của bo nitrua là khoảng 3,48 g/cm³, cao hơn đáng kể so với h-BN.

• Độ cứng Cực kỳ cứng (Độ cứng Mohs ~ 9.5)

• Độ dẫn nhiệt của Nitride Bo: truyền nhiệt tốt theo mọi hướng (~ W/m·K)

• Độ ổn định hóa học Nhiệt độ cao hơn kim cương

• Khả năng chống oxy hóa: khả năng chống oxy hóa lên đến 1300 ° C

• Tính chất điện Dope có thể dùng để chế tạo chất bán dẫn

c-BN không phản ứng với vật liệu chứa sắt ở nhiệt độ cao, nhưng kim cương thì có. Do đó, c-BN có thể giúp bạn cắt thép.

Để hiểu rõ hơn về các tính chất, chúng ta hãy so sánh các dạng khác nhau trong bảng dưới đây:

Ví dụ về việc sử dụng thực tế

Bạn có thể ngạc nhiên khi biết rằng có rất nhiều ngành công nghiệp sử dụng boron nitride. Dưới đây là những nơi boron nitride được sử dụng:

Sản xuất và gia công kim loại

Tinh thể lập phương boron nitride có thể giúp các ngành công nghiệp đạt được kết quả tốt hơn trong các ứng dụng sau:

• Dụng cụ cắt thép tôi

• Đá mài kim loại mạnh

• Gia công có độ chính xác cao không hiệu quả với kim cương

Hình dạng của h-BN cũng hữu ích:

• Chất bôi trơn nhiệt độ cao trong đúc kim loại

• Khuôn nổi trong đúc

• Nồi nấu chảy kim loại

• Lớp phủ nitride boron bảo vệ chống mài mòn và ăn mòn

Trong Điện tử và Quản lý Nhiệt

Cả hai dạng boron nitride đều có thể giúp thiết bị điện tử của bạn mát và hoạt động bình thường:

• Vật liệu giữa các thành phần chịu nhiệt độ cao và bộ tản nhiệt sử dụng độ dẫn nhiệt cao của bo nitrua

• Bề mặt thiết bị điện tử

• Lớp cách điện của tụ điện sử dụng vật liệu cách điện tuyệt vời của boron nitride

• Vật liệu tản nhiệt của đèn LED

Nitrua lục giác Bo hoạt động đặc biệt tốt như một cơ sở cho graphene và các vật liệu điện tử hai chiều khác, chẳng hạn như thang đo nguyên tử phẳng.

Trong mỹ phẩm (Thật ngạc nhiên phải không?)

Điều đáng ngạc nhiên là boron nitride có thể giúp các sản phẩm mỹ phẩm đạt hiệu quả tốt hơn. Dạng h-BN được sử dụng rộng rãi trong mỹ phẩm vì:

• Tạo cảm giác mịn màng, mượt mà

• Giúp sản phẩm được trải đều

• Hấp thụ dầu từ da

• Làm cho các nếp nhăn ít đáng chú ý hơn

Lần tới khi bạn mua kem nền, phấn mắt hoặc phấn phủ, hãy kiểm tra các thành phần mà bạn có thể tìm thấy boron nitride trong mỹ phẩm.

Trong hàng không vũ trụ và các ứng dụng nhiệt độ cao

Nitride boron khả năng xử lý nhiệt độ khắc nghiệt có thể giúp ích cho ứng dụng hàng không vũ trụ trong:

• Hệ thống bảo vệ tàu vũ trụ khỏi nhiệt

• Các bộ phận trong động cơ tên lửa

• Vật liệu cách nhiệt hoạt động ở nhiệt độ cao

• Các thành phần trong tua bin khí

Trong lĩnh vực nghiên cứu

Các nhà khoa học đang tìm ra những điều mới công dụng của boron nitride TRONG:

• Nitrua bo ống nano (giống như ống nano cacbon nhưng ổn định hơn)

• Thiết bị màng mỏng vì máy tính lượng tử

• Cấy ghép y tế tương thích với cơ thể

• Các loại pin và lưu trữ năng lượng mới

Hướng đi trong tương lai

Nghiên cứu về boron nitride đang được tiến hành có thể giúp các ngành công nghiệp phát triển các ứng dụng mới trong:

• Vật liệu 2D: Tấm h-BN siêu mỏng cho thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo

• Ống nano Nitride Bo: Phiên bản BN của ống nano carbon có khả năng xử lý nhiệt vượt trội

• Ứng dụng lượng tử: Sử dụng h-BN để bảo vệ vật liệu lượng tử

• Ứng dụng y sinh: Vận chuyển thuốc và hình ảnh y tế Khám phá tiềm năng của BN trong

• Lưu trữ năng lượng: linh kiện pin và tụ điện tiên tiến

• Nitrua boron tiên tiến công nghệ phủ để tăng cường khả năng bảo vệ vật liệu.

Chi phí sản xuất vẫn là một thách thức, đặc biệt là với nitrua bo khốiTuy nhiên, nghiên cứu vẫn tiếp tục về hiệu quả hơn phương pháp tổng hợp boron nitrua, điều này có thể giúp tài liệu tuyệt vời này dễ tiếp cận hơn.

Phần kết luận

Do sự kết hợp độc đáo của các đặc tính, bo nitrua có thể giúp giải quyết những thách thức trong nhiều ngành công nghiệp, từ dụng cụ cắt gọt đến mỹ phẩm. Khi sản xuất được cải thiện, vật liệu tuyệt vời này sẽ được ứng dụng vào nhiều sản phẩm hơn nữa.

Bạn muốn tìm hiểu thêm về vật liệu tiên tiến? Kiểm tra các bài viết khác của chúng tôi về gốm sứ và ứng dụng công nghiệp của chúng.