Ennegrecimiento de cerámicas de nitruro de boro

El nitruro de boro es un cristal compuesto por átomos de nitrógeno y átomos de boro. La composición química es 43,6% de boro y 56,4% de nitrógeno, y se presenta en cuatro variedades diferentes: nitruro de boro hexagonal (HBN), nitruro de boro rómbico (RBN), nitruro de boro cúbico (CBN) y nitruro de boro wurtzita (WBN).

Nombre chino

Nitruro de boro

Nombre extranjero

Compuesto de nitrógeno y boro

Información reglamentaria

No controlado

Fórmula química

Miles de millones

Peso molecular

24.818

Sistema de numeración

Casno. : 10043-11-5

No. :MFCD00011317

EINECSNº. : 233-136-6

Número RTECS: ED7800000

PubChemNo. : 24855457[1]

Historia del desarrollo

El nitruro de boro apareció hace más de 100 años. La primera aplicación fue el nitruro de boro hexagonal como lubricante de alta temperatura. No sólo la estructura sino también el rendimiento son muy similares al grafito, y es blanco, por lo que comúnmente se lo conoce como grafito blanco.

Las cerámicas de nitruro de boro (BN) se descubrieron ya en 1842. Los países extranjeros han investigado mucho sobre los materiales BN desde la Segunda Guerra Mundial. No fue hasta 1955 que se resolvió el método de prensado en caliente de BN. American Diamond Company y United Carbon Company fueron las primeras en ponerlo en producción, y en 1960 se habían producido más de 10 toneladas.

En 1957, R. H. Wentrof tomó la iniciativa en la producción experimental exitosa de CBN. En 1969, la General Electric Company de Estados Unidos vendió Borazon y, en 1973, Estados Unidos anunció que había fabricado herramientas de CBN. [2]

En 1975, Japón introdujo tecnología de los Estados Unidos y preparó herramientas CBN.

En 1979, se prepararon con éxito películas de C-BN colapsadas utilizando por primera vez tecnología de plasma pulsado a baja temperatura y baja presión.

A finales de la década de 1990, la gente pudo preparar películas de c-BN mediante varios métodos de deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD).

Desde una perspectiva interna, el desarrollo de China avanza a pasos agigantados. La investigación sobre el polvo BN comenzó en 1963 y se desarrolló con éxito en 1966. Se puso en producción en 1967 y se utilizó en la industria china y en tecnología de punta.

Propiedades físicas y químicas

Propiedades del material

El CBN suele ser cristales de color negro, marrón o rojo oscuro con una estructura de esfalerita y buena conductividad térmica. Sólo superado por el diamante en dureza, es un material superduro que se utiliza habitualmente como material para herramientas y abrasivos. [3]

El nitruro de boro es químicamente resistente y no se corroe con ácidos inorgánicos ni con agua. El enlace boro-nitrógeno se rompe en álcali concentrado caliente. La oxidación comienza en el aire por encima de 1200°C. En el vacío, la descomposición comienza aproximadamente a 2700°C. Ligeramente soluble en ácido caliente, insoluble en agua fría, densidad relativa 2,29. La resistencia a la compresión es de 170MPa. La temperatura máxima de funcionamiento es de 900°C en atmósfera oxidante y hasta 2800°C en atmósfera reductora inactiva, pero su rendimiento de lubricación es deficiente a temperatura ambiente. La mayoría de las propiedades del nitruro de boro son superiores a las de los materiales de carbono. Para nitruro de boro hexagonal: bajo coeficiente de fricción, buena estabilidad a altas temperaturas, buena resistencia al choque térmico, alta resistencia, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión, alta resistividad, resistencia a la corrosión, transmisión por microondas o infrarrojos.

Estructura del material

El sistema cristalino hexagonal del nitruro de boro es una red de grafito y también existen variantes amorfas. Además de la forma cristalina hexagonal, el nitruro de boro también tiene otras formas cristalinas, incluido el nitruro de boro rómbico (r-BN), el nitruro de boro cúbico (c-BN) y el nitruro de boro wurtzita (w-BN). Incluso se han descubierto cristales bidimensionales de nitruro de boro, como el grafito. [4]

Datos ecológicos

Generalmente hay daños leves al agua. No exponga grandes cantidades o sin diluir del producto a aguas subterráneas, vías fluviales o sistemas de alcantarillado, y no descargue materiales en el entorno circundante sin el permiso del gobierno. [1]

Datos químicos calculados

1. Valor de referencia de cálculo del parámetro hidrofóbico (XlogP): Ninguno.

2. Número de donantes de enlaces de hidrógeno: 0

3. Número de aceptores de enlaces de hidrógeno: 1

4. p>

5. Número de tautómeros: Ninguno

6. El área de superficie polar de la molécula topológica es 23,8

7. p>

p>

8. Carga superficial: 0

9 Complejidad: 10

10, número de átomos de isótopos: 0

11. Determinar el estéreo atómico Número de centros: 0.

12. Número incierto de estereocentros atómicos: 0

13. Determinar el número de estereocentros de enlaces químicos: 0

14. 0

15, * * *Número de unidades de enlace de valencia: 1[1]

Proceso de fabricación

Por lo general, el nitruro de boro tiene una estructura de grafito, comúnmente conocida como tinta de piedra blanca. El otro es el tipo diamante, que es similar al principio de convertir grafito en diamante. El nitruro de boro y grafito se puede transformar en nitruro de boro y diamante a alta temperatura (1800 ℃) y alta presión (8000 Mpa) [5 ~ 18 GPa]. Es un nuevo tipo de material superduro resistente a altas temperaturas que se utiliza para fabricar brocas, herramientas abrasivas y herramientas de corte.

Método de producción

Método de síntesis a alta temperatura y alta presión

En 1957, Wentov sintetizó BN cúbico por primera vez. Cuando la temperatura es cercana o superior a 1700 °C y la presión mínima es de 11 ~ 12 GPA, el nitruro de boro hexagonal puro (HBN) se transforma directamente en nitruro de boro cúbico (CBN). Posteriormente se descubrió que la temperatura y la presión de transición se podían reducir significativamente mediante el uso de catalizadores. Los catalizadores comúnmente utilizados son metales alcalinos y alcalinotérreos, nitruros de metales alcalinos y alcalinotérreos, nitruros de fluoruros de metales alcalinotérreos, borato de amonio y fluoruros inorgánicos. Entre ellos, el borato de amonio requiere la temperatura y presión más bajas como catalizador. La presión requerida es 5GPa a 1500°C y el rango de temperatura es 600 ~ 700°C a 6GPa. Se puede ver que aunque la adición de catalizador puede reducir en gran medida la temperatura y presión de transformación, la temperatura y presión requeridas siguen siendo altas. Por tanto, su equipamiento es complejo y su coste elevado, por lo que su aplicación industrial es limitada.

Método de síntesis química en fase de vapor

En 1979, Sokolowski preparó con éxito películas delgadas de nitruro de boro cúbico (CBN) utilizando tecnología de plasma pulsado de baja temperatura y baja presión. El equipo utilizado es sencillo y el proceso es fácil de implementar, por lo que se desarrolla rápidamente. Han surgido varios métodos de deposición de vapor. Tradicionalmente se refiere principalmente a la deposición química térmica de vapor. El dispositivo de ensayo consta generalmente de un tubo de cuarzo resistente al calor y un dispositivo calefactor. El sustrato se puede calentar mediante un horno de calentamiento (CVD de pared caliente) o mediante calentamiento por inducción de alta frecuencia (CVD de pared fría). Los gases reactivos se descomponen en la superficie del sustrato de alta temperatura mientras se produce una reacción química para depositar una película delgada. El gas de reacción incluye BCl3 o un gas mixto de B2H4 y NH3.

Síntesis hidrotermal

En este método, se utiliza agua como medio de reacción en un entorno de reacción de alta temperatura y alta presión en un autoclave, de modo que las sustancias normalmente insolubles o insolubles se disuelto, y la reacción también puede recristalizarse. La tecnología hidrotermal tiene dos características: una es que la temperatura es relativamente baja y la otra es que se realiza en un recipiente cerrado para evitar la volatilización de los componentes. Como método de síntesis a baja temperatura y presión, se utiliza para sintetizar nitruro de boro cúbico a baja temperatura.

Síntesis térmica de benceno

La síntesis térmica de benceno, como nuevo método de síntesis de nanomateriales a baja temperatura, ha atraído una amplia atención en los últimos años. El benceno tiene una estructura de yugo * * * estable y es un excelente disolvente para la síntesis solvotérmica. Recientemente, se ha desarrollado con éxito en una tecnología de síntesis térmica de benceno, como la fórmula de reacción:

BCl3+Li3N→BN+3LiCl

o BBr3+Li3N→BN+3LiBr.

La temperatura de reacción es de solo 450 °C. La fase metaestable, que generalmente se puede preparar en condiciones extremas y solo puede existir bajo presión ultraalta, se puede preparar a temperaturas y presiones relativamente bajas mediante benceno térmico. tecnología de síntesis. Este método realiza la preparación de nitruro de boro cúbico a baja temperatura y baja presión. Sin embargo, este método aún se encuentra en etapa de investigación experimental y es un método sintético con gran potencial de aplicación.

Tecnología de autopropagación

Utiliza la energía necesaria proporcionada por el mundo exterior para inducir reacciones químicas altamente exotérmicas. La reacción local del sistema forma un frente de reacción química (onda de combustión). y la reacción química libera calor por sí misma, procediendo rápidamente con apoyo, la onda de combustión se propaga por todo el sistema. Aunque este método es un método tradicional de síntesis inorgánica, la síntesis de nitruro de boro solo se ha informado en los últimos años.

Tecnología de síntesis carbotérmica

Este método utiliza ácido bórico como materia prima, carbono como agente reductor, nitruración con gas amoniaco y obtiene nitruro de boro en la superficie del carburo de silicio. El producto obtenido tiene alta pureza y gran valor de aplicación para la preparación de materiales compuestos.

Tecnología de pulverización catódica por haz de iones

Utilizando la tecnología de deposición por pulverización catódica por haz de partículas, se obtiene un producto mixto de nitruro de boro cúbico y nitruro de boro hexagonal. Aunque este método tiene menos impurezas, las condiciones de reacción son difíciles de controlar, por lo que la morfología del producto es difícil de controlar. La investigación sobre este método tiene un gran potencial de desarrollo.

Método de reducción inducida por láser

Utilizando el láser como fuente de energía externa para inducir una reacción redox entre los precursores de la reacción, B y N se combinan para formar nitruro de boro, pero con este método también se obtiene una mezcla. fase. [5]

Método de almacenamiento

Método de almacenamiento del nitruro de boro: debe almacenarse en un almacén seco y bien ventilado para evitar la humedad.

Método de almacenamiento de la fibra de nitruro de boro: Almacenar en un almacén seco y bien ventilado. La concentración máxima permitida de nitruro de boro en el aire es de 6 mg/metro cúbico. [1]

Parámetros técnicos

Clasificación del producto

Tamaño promedio de partícula (nano)

Área de superficie específica (m²/g)

Densidad aparente (g/cm3)

Forma cristalina

Color

Nanoescala

50

43.6

0.11

Hexagonal

Blanco

Submicron

600

9.16

2.30

Hexagonal

Blanco

Campos de aplicación

1. agente desmoldante y lubricante para embutición de metales.

2. Materiales electrolíticos y resistivos especiales a altas temperaturas.

3. Lubricantes sólidos de alta temperatura, aditivos resistentes al desgaste por extrusión, aditivos para la producción de composites cerámicos, materiales refractarios y aditivos antioxidantes, especialmente en el caso de resistencia a la corrosión del metal fundido, aditivos de mejora térmica y de alta temperatura. Materiales aislantes resistentes a la temperatura.

4. Desecante termosellante para transistores y aditivos para polímeros como resinas plásticas.

5. Los productos de nitruro de boro prensados ​​en varias formas se pueden utilizar como componentes de alta temperatura, alto voltaje, aislamiento y disipación de calor.

6. Materiales de aislamiento térmico en el sector aeroespacial.

7. Con la participación de catalizadores y un tratamiento a alta temperatura y alta presión, se puede convertir en nitruro de boro cúbico tan duro como el diamante.

8. Materiales estructurales de reactores atómicos.

9. Toberas de motores de aviones y cohetes.

10. Aislador para alta tensión, arco de alta frecuencia y arco de plasma.

11. Materiales de embalaje para prevenir la radiación de neutrones.

12. Los materiales superduros hechos de nitruro de boro se pueden convertir en herramientas de corte de alta velocidad y brocas para exploración geológica y extracción de petróleo.

13. Anillos de separación metalúrgicos para acero de colada continua, corredores de hierro amorfo y desmoldeantes para aluminio de colada continua (diversos desmoldeantes de vidrio óptico).

14. Fabricar botes de evaporación para aluminizar películas de condensadores, tubos de imagen y pantallas.

15. Varias bolsas de embalaje chapadas en aluminio para conservación, etc.

16. Diversos revestimientos de aluminio antifalsificación con láser, materiales de estampado en caliente de marcas registradas, diversas etiquetas de cigarrillos, etiquetas de cerveza, cajas de embalaje, cajas de embalaje de cigarrillos, etc.

17. Como relleno de las barras de labios se utilizan cosméticos, que no son tóxicos, son lubricantes y tienen brillo.

Perspectivas de futuro

Debido a la alta dureza de los materiales de acero, se generará una gran cantidad de calor durante el procesamiento. Las herramientas de diamante son fáciles de descomponer a altas temperaturas y reaccionan con metales de transición, mientras que el material c-BN tiene buena estabilidad térmica y no reacciona fácilmente con metales o aleaciones del grupo del hierro, por lo que puede usarse ampliamente en el mecanizado de precisión y el rectificado de acero. productos. C-BN no sólo tiene una excelente resistencia al desgaste, sino también una excelente resistencia al calor. También puede cortar acero resistente al calor, ferroaleaciones, acero templado, etc. A temperaturas de corte más altas, también puede cortar laminados en frío de alta dureza, materiales cementados y templados y aleaciones de silicio y aluminio con un desgaste importante de la herramienta. De hecho, se han utilizado herramientas y abrasivos fabricados con cuerpos sinterizados de cristal c-BN (síntesis de alta temperatura y alta presión) para el mecanizado de alta velocidad y precisión de diversos materiales de carburo cementado.

El C-BN, como material semiconductor de banda prohibida ancha (banda prohibida 6,4 eV), tiene alta conductividad térmica, alta resistividad, alta movilidad, baja constante dieléctrica y alto campo eléctrico de ruptura, y puede lograr doble tipo. dopaje y buena estabilidad.

El nitruro de boro cúbico, junto con el diamante, el carburo de silicio y el nitruro de galio, se considera la tercera generación de materiales semiconductores después del silicio, el germanio y el GaAs. Su característica común es una amplia banda prohibida, lo que los hace adecuados para la fabricación en condiciones extremas. En comparación con el SiC y el GaN, el c-BN y el diamante tienen propiedades superiores, como una banda prohibida más amplia, mayor movilidad, mayor campo eléctrico de ruptura, menor constante dieléctrica y mayor tasa de conductividad térmica. Obviamente, como material electrónico extremo, el c-BN es superior al diamante. Sin embargo, como material semiconductor, el diamante tiene su debilidad fatal, es decir, el dopaje de diamante tipo N es muy difícil (la resistividad del dopaje tipo N sólo puede alcanzar 102ω·cm, lo que está lejos del estándar del dispositivo), y Se puede lograr un dopaje de doble tipo c-BN. Por ejemplo, durante la síntesis y preparación de películas a alta temperatura y alta presión, se pueden obtener semiconductores de tipo P agregando Be; los semiconductores de tipo n se pueden obtener agregando azufre, carbono, silicio, etc. Por tanto, c-BN es el material semiconductor de tercera generación con mejor rendimiento. No sólo se puede utilizar para preparar dispositivos electrónicos que funcionan en condiciones extremas como alta temperatura, alta frecuencia y alta potencia, sino que también tiene amplias perspectivas de aplicación. en luminiscencia ultravioleta profunda y detectores. De hecho, se informó por primera vez que los diodos emisores de luz c-BN producidos a alta temperatura y alta presión pueden funcionar a 650 °C. Cuando está polarizado directamente, el diodo emite luz azul visible a simple vista. Las mediciones espectrales muestran que su longitud de onda más corta es de 215 nm (5,8 eV). El C-BN tiene un coeficiente de expansión térmica similar al GaAs y Si, alta conductividad térmica, baja constante dieléctrica, buenas propiedades de aislamiento y buena estabilidad química, lo que lo convierte en un material disipador de calor y un revestimiento aislante para circuitos integrados. Además, c-BN tiene afinidad electrónica negativa y puede usarse como material de emisión de campo de cátodo frío, lo que tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de las pantallas planas de gran superficie.

En aplicaciones ópticas, las películas de c-BN son adecuadas como recubrimientos superficiales para algunos elementos ópticos, especialmente como materiales para ventanas como el seleniuro de zinc (ZnSe) y el sulfuro de zinc (ZnS) debido a su alta dureza y alta transmitancia. desde ultravioleta (aproximadamente 200 nm) hasta infrarrojo lejano. Además, también tiene buena resistencia al choque térmico y dureza comercial, y se espera que se convierta en un material de ventana ideal para detectores y láseres de alta potencia. [6]

Las cerámicas de nitruro de boro generalmente tienen una estructura de grafito, comúnmente conocida como grafito blanco. El otro es el tipo diamante, que es similar al principio de convertir grafito en diamante. El nitruro de boro y grafito se puede convertir en nitruro de boro y diamante a alta temperatura (1800) y alta presión (800 Mpa). La longitud del enlace B-N del nitruro de boro (156 pm) es similar a la longitud del enlace C-C del diamante (154 pm) y la densidad es similar a la del diamante. Su dureza es equivalente a la del diamante, pero su resistencia al calor es mejor que la del diamante. Es un nuevo tipo de material superduro resistente a altas temperaturas que se puede utilizar para fabricar brocas, herramientas abrasivas y herramientas de corte. Extraído de: www.sdboaoxcl.com El CBN suele ser un cristal negro, marrón o rojo oscuro, con estructura de esfalerita y buena conductividad térmica. Sólo superado por el diamante en dureza, es un material superduro que se utiliza habitualmente como material para herramientas y abrasivos. Propiedades del material: las cerámicas de nitruro de boro son resistentes al ataque químico y no se corroen con ácidos inorgánicos ni con agua. El enlace boro-nitrógeno se rompe en álcali concentrado caliente. El aire por encima de los 1.200 grados centígrados comienza a oxidarse. El punto de fusión es 3000 y la sublimación comienza ligeramente por debajo de esta temperatura. Comienza a descomponerse en el vacío alrededor de las 27:00. Ligeramente soluble en ácido caliente, insoluble en agua fría, densidad relativa 2,25. La resistencia a la compresión es de 170 MPa. La temperatura de funcionamiento es de 900 grados en una atmósfera oxidante y de 2800 grados en una atmósfera reductora inactiva, pero la lubricidad es pobre a temperatura ambiente. La mayoría de las propiedades de las cerámicas de nitruro de boro son superiores a las de los materiales de carbono. Para el nitruro de boro hexagonal, tiene un bajo coeficiente de fricción, buena estabilidad a altas temperaturas, buena resistencia al choque térmico, alta resistencia, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión, alta resistividad, resistencia a la corrosión y transmitancia de microondas o infrarrojos. Estructura del material Las cerámicas de nitruro de boro son cristales hexagonales, y las variantes amorfas y de red de grafito son comunes. Además de los cristales hexagonales, el carburo de boro también tiene otras formas cristalinas, incluido el nitruro de boro rómbico (denominado R-BN o nitruro de boro trilateral), cuya estructura es similar a la del H-BN. Nitruro de boro cúbico c-bn, o 3-bn, o z-BN. El nitruro de boro de esfalerita se produce durante la conversión de h-bn en c-BN y tiene una textura muy dura, nitrógeno tipo wurtzita, el boro w-BN duro. Estado de h-BN bajo alta presión. La gente incluso ha descubierto cristales bidimensionales de nitruro de boro tan delgados como el grafito (similares a los cristales bidimensionales MOS). Lo anterior es todo el contenido compartido esta vez, espero que te sea de ayuda. Para obtener más información sobre las cerámicas de nitruro de boro, preste atención a las actualizaciones posteriores en este sitio web.