Bornitrid: Eigenschaften, Herstellung und Verwendung

Boron Nitride

Bornitrid (BN) ist eine Verbindung, die durch die 1:1-Verbindung von Bor und Stickstoff (elementare Nachbarn von Kohlenstoff im Periodensystem) entsteht. Ähnlich wie Kohlenstoff liegt Bornitrid in mehreren kristallinen Formen vor, die als Allotrope bekannt sind und jeweils die Struktur eines bestimmten Kohlenstoffallotrops widerspiegeln.

  • Alpha-BN: Sechseckige Modifikation mit einer graphitähnlichen Schichtstruktur, manchmal auch „weißer Graphit“ genannt.
  • Beta-BN: Diamantartige Hochdruckmodifikation mit kubischer Zinkblendestruktur.
  • Gamma-BN: Dichte hexagonale Modifikation mit Wurtzit-Struktur.

Inhaltsverzeichnis

1. Eigenschaften von Bornitrid

Bornitrid (BN) ist ein faszinierendes Material mit Eigenschaften, die sowohl Graphit als auch Diamant, seinen Kohlenstoff-Gegenstücken, ähneln. Es gibt drei Hauptformen, jede mit einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen.

1.1. α-BN: Das Graphit-ähnliche Allotrop

Die häufigste Form von BN ist α-BN, eine hexagonale Struktur ähnlich Graphit. Es verfügt über zahlreiche attraktive Eigenschaften:

  • Geringe Dichte: 2,27 g/cm³
  • Hochtemperaturstabilität: Schmelzpunkt über 3000 °C
  • Chemische Inertheit: Beständig gegen Säuren, geschmolzene Metalle und hohe Temperaturen
  • Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit: Vergleichbar mit Edelstahl bei kryogenen Temperaturen und Berylliumoxid bei höheren Temperaturen
  • Hervorragende elektrische Isolierung: Niedrige Dielektrizitätskonstante und hohe Durchschlagsfestigkeit
  • Wirksames Schmiermittel: Hält einen niedrigen Reibungskoeffizienten bis zu 900 °C aufrecht
  • Nicht benetzend: Beständig gegen Angriffe durch verschiedene geschmolzene Materialien und reaktive Metalle
  • Sinterbarkeit: Heißpressen ermöglicht die Erstellung dichter Formen

Aufgrund seiner überlegenen Hochtemperaturstabilität und Inertheit wird α-BN häufig als feuerfeste Keramik verwendet. In dieser Hinsicht übertrifft es andere Nitrid- und Oxidkeramiken und findet Anwendung in verschiedenen Hochtemperaturumgebungen.

1.2. β-BN: Das diamantartige Allotrop

β-BN, auch bekannt als Borazon, besitzt aufgrund seiner kubischen Kristallstruktur ähnliche Eigenschaften wie Diamant. Es verfügt über:

  • Farblos und stark isolierend (in reiner Form)
  • Hohe Knoop-Härte: Ungefähr 4700, übertrifft die meisten Materialien außer Diamant
  • Hervorragende thermische Stabilität: Oxidationsbeständigkeit bis 1400°C, deutlich höher als Diamant
  • Hervorragende Schleifeigenschaften: Wirksam bei hohen Temperaturen aufgrund der hervorragenden Stabilität

β-BN ist aufgrund seiner diamantähnlichen Härte und Hochtemperaturbeständigkeit ein wertvolles Material für Schneidwerkzeuge, Schleifscheiben und andere Schleifanwendungen.

1.3. γ-BN: Das metastabile Allotrop

γ-BN, die Wurtzitform von BN, ist unter typischen Herstellungsbedingungen für β-BN metastabil. Es hat eine Dichte nahe der von β-BN und durchläuft bei hohen Drücken und Temperaturen einen Phasenübergang zur kubischen Form.

Trotz seiner begrenzten Stabilität im Vergleich zu anderen Formen birgt γ-BN aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften Potenzial für spezielle Anwendungen.

Tabelle 1. Eigenschaftsdaten von Bornitrid-Keramik
Eigenschaft Heißgepresstes BN Heiß isostatisch gepresstes BN Heißgepresste Verbundkeramik BN/ZrO2
Schüttdichte, g/cm3 2.0 2.2 2,8–3,6b
Porosität, Vol % < 7 < 1 < 7
Bruchmodul (4-Punkt), aMPa 100/80 50 130/70
Young-Modul,a GPa 70/35 30 80/35
Wärmeleitfähigkeit, cWm-1K-1
20 °C 65/45 50 35 - 25/20 - 18b
400 °C 50/30 40 31 - 21/17 - 15
700 °C 30/20 30 28 - 18/15 - 13
1000 °C 15/10 20 25 - 15/13 - 18
Wärmeausdehnungskoeffizient, α10-6 K-1
(bei 20 - 1000 °C) 1,2/8,0 4.0 4,5 – 9,0/8,5 – 11,0b
Spezifische Wärme, J/gK (bei 20 °C) 0,8 0,8 0,7
Elektrischer Widerstand, Ωcm (bei 20 °C) > 1012 > 1012 > 1012
Durchschlagsfestigkeit, kV/mm (bei 20 °C) > 6 > 6 > 6
a Ausrichtung vertikal/parallel zur Pressrichtung testen.
b Abhängig vom ZrO2-Verhältnis.

Insgesamt bietet Bornitrid eine bemerkenswerte Kombination von Eigenschaften, die es für verschiedene Branchen wertvoll macht. Seine vielfältigen Formen erfüllen spezifische Anforderungen und reichen von Hochtemperaturkeramik und Schleifmitteln bis hin zu fortschrittlicher Elektronik und Schmiermitteln.

2. Herstellung von Bornitrid

Bornitrid, ein faszinierendes Material mit bemerkenswerten Eigenschaften, weist je nach Syntheseprozess unterschiedliche Formen auf. Diese Untersuchung befasst sich mit den Methoden zur Herstellung dieser Formen und hebt ihre einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen hervor.

1. Hexagonales α-BN:

Die erste erfolgreiche Synthese von hexagonalem α-BN geht auf die Mitte des 19. Jahrhunderts durch Balmain zurück. Allerdings blieb es in der wissenschaftlichen Welt bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts eine bloße Kuriosität, als die Entwicklung von Heißpresstechniken die Herstellung von dichtem, geformtem α-BN ermöglichte. Heute zeichnen sich vor allem zwei industrielle Methoden durch ihre Effizienz aus:

1. Reaktion von Boroxid oder Borsäure mit Ammoniak: Diese Methode, bei der häufig Tricalciumorthophosphat als Träger verwendet wird, erzeugt kristallines α-BN in Form hexagonaler Plättchen. Eine anschließende Wärmebehandlung bei über 1500 °C unter Stickstoff reinigt und stabilisiert das Material weiter.

Production of boron nitride by Reaction of boric oxide with ammonia

2. Reaktion von Borsäure oder Borax mit organischen Stickstoffverbindungen: Dieser Ansatz, beispielsweise unter Verwendung von Harnstoff oder Melamin, kann zu turbostratischem Bornitrid führen. Diese Variante weist eine sechseckige Struktur auf, es fehlt jedoch eine vollständige dreidimensionale Ordnung innerhalb ihrer Schichten.

Production of boron nitride by Reaction of boric oxide with urea

Die Suche nach dichtem α-BN führte zu zwei effektiven Ansätzen:

  1. Axiales oder heißisostatisches Pressen: Diese Methode komprimiert feine Pulver zu bearbeitbaren Knüppeln und bietet Vielseitigkeit für verschiedene Anwendungen.
  2. Pyrolyse von BCl3- und NH3-Gemisch: Bei diesem Prozess wird α-BN auf einem Graphitsubstrat abgeschieden, was zu einem porenfreien und helium- undurchlässiges Material. Allerdings weist diese pyrolytische Form aufgrund der Ausrichtung ihrer Schichten anisotrope Eigenschaften auf.

Über diese gängigen Formen hinaus kann α-BN auch in Form von Fasern, dünnen Filmen und sogar komplizierten mehrdimensionalen Verbundwerkstoffen hergestellt werden, was seine potenziellen Anwendungen noch weiter erweitert.

2. Kubisches β-BN:

Die Umwandlung von α-BN in sein kubisches Gegenstück, β-BN, auch bekannt als Borazon, erfordert extreme Bedingungen: hohe Drücke zwischen 4 und 6 GPa gepaart mit Temperaturen im Bereich von 1400 bis 1700°C.

Diese anspruchsvollen Bedingungen werden oft durch die Anwesenheit von Katalysatoren wie Lithium- oder Magnesiumnitrid erleichtert. Spätere Fortschritte führten die ternäre Verbindung Ca3B2N4 als Katalysator ein und ermöglichten die Herstellung außergewöhnlich reiner, großer β-BN-Kristalle.

Während die Synthese von β-BN-Kristallen in großen Mengen Herausforderungen mit sich bringt, haben sich Abscheidungstechniken wie PVD und Plasma-CVD als praktikable Alternativen für die Erzeugung dünner Beschichtungen herausgestellt.

Allerdings behindern die Schwierigkeiten, die mit der Züchtung großer Kristalle und der Ablagerung dicker Schichten verbunden sind, die kommerzielle Durchführbarkeit von Niederdruck-Sinterverfahren für die β-BN-Produktion.

Trotz der Herausforderungen hat sich das Sintern kubischer BN-Partikel unter hohen Temperaturen und hohem Druck – Bedingungen, unter denen diese diamantähnliche Form stabil ist – als erfolgreich erwiesen.

Darüber hinaus führt das Heißpressen von schocksynthetisiertem γ-BN bei 6,7 GPa und 1600 °C zu selbstbindenden Presslingen mit überwiegend kubischer Struktur, was vielversprechende Möglichkeiten für die weitere Erforschung bietet.

3. Wurtzit γ-BN:

Die Wurtzit-Form von Bornitrid, γ-BN, kann durch statische Kompression von mehr als 6,0 GPa erhalten werden. Alternativ kann auch eine dynamische Kompression bei 12-13 GPa unter 1700 °C diese Form ergeben.

3. Verwendung von Bornitrid

Die bemerkenswerten Eigenschaften von Bornitrid (BN) führen zu zahlreichen Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Hier ist eine Aufschlüsselung der vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von a-BN-Pulver, heißgepressten Formen und den anderen BN-Formen:

1. α-BN-Pulver und heißgepresste Formen:

  • Chemie: Wird als Katalysatorträger, Hochtemperaturtiegelmaterial und Komponente für Laborgeräte verwendet.
  • Metallurgie: Wird in feuerfesten Auskleidungen für Öfen, Tiegeln zum Schmelzen reaktiver Metalle und Entgasungsdüsen eingesetzt.
  • Hochtemperaturtechnologie: Verwendet als Hitzeschilde, Komponenten in Raketendüsen und Isoliermaterialien.
  • Elektrotechnik: Wird als Isolator in Hochspannungsgeräten und Zündkerzen eingesetzt.
  • Elektronik: Wird als Substrat für integrierte Schaltkreise und Komponenten in elektronischen Hochleistungsgeräten verwendet.

2. α-BN-Beschichtungen:

  • Wird zum Oberflächenschutz vor Verschleiß und Oxidation bei hohen Temperaturen eingesetzt.
  • Wird als Schmiermittel für Lager und andere mechanische Komponenten verwendet.

3. Kubisches β-BN (Borazon):

  • Wird hauptsächlich zum Schneiden, Bohren und Schleifen harter Materialien wie Diamant, Keramik und harter Stähle verwendet.
  • Bietet in einigen Anwendungen eine überlegene chemische Beständigkeit und größere Zähigkeit im Vergleich zu Diamant.

4. Gesinterte β-BN-Kompakte:

  • Wird als Schneidwerkzeuge für harte Stähle, Superlegierungen auf Nickelbasis und Gesteinsbohrer eingesetzt.
  • Wird aufgrund ihrer Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit als Drahtziehmatrizen verwendet.

5. Wurtzit γ-BN:

Bietet aufgrund seiner Umwandlung in α-BN während des Schneidens Potenzial als Schmiermittel, sorgt für Schmierung und verlängert die Werkzeuglebensdauer.

Globale Produktion und Preis:

Die jährliche Weltproduktion von α-BN-Pulver beträgt etwa 1000 Tonnen und der Preis für α-BN-Pulver liegt zwischen 30 und 100 USD pro Kilogramm.

Referenz