Nitruro de Boro: Propiedades, Producción y Usos

Boron Nitride

El nitruro de boro (BN) es un compuesto formado por la unión 1:1 de boro y nitrógeno (vecinos elementales del carbono en la tabla periódica). Al igual que el carbono, el nitruro de boro existe en múltiples formas cristalinas, conocidas como alótropos, cada una de las cuales refleja la estructura de un alótropo de carbono específico.

  • Alfa-BN: modificación hexagonal con una estructura en capas similar al grafito, a veces llamado «grafito blanco».
  • Beta-BN: Modificación similar a un diamante de alta presión con una estructura cúbica de blenda de zinc.
  • Gamma-BN: Modificación hexagonal densa con estructura de wurtzita.

Tabla de contenido

1. Propiedades del nitruro de boro

El nitruro de boro (BN) es un material fascinante con propiedades que se asemejan tanto al grafito como al diamante, sus homólogos de carbono. Existe en tres formas principales, cada una con características y aplicaciones únicas.

1.1. α-BN: el alótropo similar al grafito

La forma más común de BN es α-BN, una estructura hexagonal similar al grafito. Tiene numerosas propiedades atractivas:

  • Baja densidad: 2,27 g/cm³
  • Estabilidad a altas temperaturas: punto de fusión superior a 3000 °C
  • Inercia química: resistente a ácidos, metales fundidos y altas temperaturas
  • Excelente conductividad térmica: comparable con el acero inoxidable a temperaturas criogénicas y con el óxido de berilio a temperaturas más altas
  • Aislamiento eléctrico superior: Baja constante dieléctrica y alta rigidez dieléctrica
  • Lubricante eficaz: Mantiene un bajo coeficiente de fricción hasta 900 °C
  • No humectante: Resistente al ataque de diversos materiales fundidos y metales reactivos
  • Sinterabilidad: el prensado en caliente permite la creación de formas densas

Debido a su estabilidad superior a altas temperaturas y su carácter inerte, el α-BN se utiliza ampliamente como cerámica refractaria. Supera a otras cerámicas de nitruro y óxido en este sentido y encuentra aplicaciones en diversos entornos de alta temperatura.

1.2. β-BN: el alótropo parecido al diamante

β-BN, también conocido como Borazon, posee propiedades similares al diamante debido a su estructura cristalina cúbica. Cuenta con:

  • Incoloro y altamente aislante (en forma pura)
  • Dureza Knoop alta: Aproximadamente 4700, superando la mayoría de los materiales excepto el diamante
  • Excelente estabilidad térmica: resistencia a la oxidación hasta 1400 °C, significativamente mayor que la del diamante
  • Excelentes propiedades abrasivas: Eficaz a altas temperaturas debido a su estabilidad superior

β-BN es un material valioso para herramientas de corte, muelas abrasivas y otras aplicaciones abrasivas debido a su dureza similar al diamante y su resistencia a altas temperaturas.</p >

1.3. γ-BN: el alótropo metaestable

γ-BN, la forma wurtzita de BN, es metaestable en condiciones de fabricación típicas de β-BN. Tiene una densidad cercana a la β-BN y sufre una transición de fase a la forma cúbica a altas presiones y temperaturas.

A pesar de su estabilidad limitada en comparación con otras formas, γ-BN tiene potencial para aplicaciones especializadas debido a sus propiedades únicas.

Tabla 1. Datos de propiedades de las cerámicas de nitruro de boro
Propiedad BN prensado en caliente BN prensado isostático en caliente Cerámica compuesta prensada en caliente BN/ZrO2
Densidad aparente, g/cm3 2.0 2.2 2.8 - 3.6b
Porosidad, % vol <7 < 1 <7
Módulo de ruptura (4 puntos), aMPa 100/80 50 130/70
Módulo de Young,a GPa 70/35 30 80/35
Conductividad térmica, 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
Coeficiente de expansión térmica, α10-6 K-1
(a 20 - 1000 °C) 1.2/8.0 4.0 4,5 - 9,0/8,5 - 11,0b
Calor específico, J/gK (a 20 °C) 0,8 0,8 0,7
Resistividad eléctrica, Ωcm (a 20 °C) > 1012 > 1012 > 1012
Rigidez dieléctrica, kV/mm (a 20 °C) > 6 > 6 > 6
a Pruebe la orientación vertical/paralela a la dirección de prensado.
b Depende de la relación ZrO2.

En general, el nitruro de boro ofrece una notable combinación de propiedades que lo hacen valioso para diversas industrias. Sus diversas formas satisfacen necesidades específicas, desde cerámicas y abrasivos de alta temperatura hasta electrónica y lubricantes avanzados.

2. Producción de nitruro de boro

El nitruro de boro, un material fascinante con propiedades notables, presenta diversas formas según el proceso de síntesis. Esta exploración profundiza en los métodos para producir estas formas, destacando sus características y aplicaciones únicas.

1. α-BN hexagonal:

La primera síntesis exitosa de α-BN hexagonal se remonta a mediados del siglo XIX por Balmain. Sin embargo, siguió siendo una mera curiosidad en el mundo científico hasta mediados del siglo XX, cuando el desarrollo de técnicas de prensado en caliente facilitó la producción de α-BN denso y con forma. Hoy en día, dos métodos industriales principales destacan por su eficiencia:

1. Reacción del óxido bórico o ácido bórico con amoníaco: este método, que a menudo utiliza ortofosfato tricálcico como portador, genera α-BN cristalino en forma de plaquetas hexagonales. Un tratamiento térmico posterior a más de 1500 °C bajo nitrógeno purifica y estabiliza aún más el material.

Production of boron nitride by Reaction of boric oxide with ammonia
2. Reacción del ácido bórico o bórax con compuestos nitrogenados orgánicos: este método, que emplea urea o melamina, por ejemplo, puede producir nitruro de boro turboestrático. Esta variante exhibe una estructura hexagonal pero carece de un orden tridimensional completo dentro de sus capas.
Production of boron nitride by Reaction of boric oxide with urea

La búsqueda de α-BN denso condujo a dos enfoques eficaces:

  1. Prensado isostático axial o en caliente: este método comprime polvos finos en palanquillas mecanizables, lo que ofrece versatilidad para diversas aplicaciones.
  2. Pirólisis de la mezcla de BCl3 y NH3: este proceso deposita α-BN sobre un sustrato de grafito, lo que da como resultado una mezcla libre de poros y con helio. material impermeable. Sin embargo, esta forma pirolítica presenta propiedades anisotrópicas debido a la orientación de sus capas.

Más allá de estas formas comunes, α-BN también se puede producir como fibras, películas delgadas e incluso compuestos multidimensionales complejos, ampliando aún más sus aplicaciones potenciales.

2. β-BN cúbico:

La transformación de α-BN en su homólogo cúbico, β-BN, también conocido como Borazón, requiere condiciones extremas: altas presiones entre 4 y 6 GPa sumadas a temperaturas que oscila entre 1400 y 1700°C.

Estas condiciones exigentes a menudo se ven facilitadas por la presencia de catalizadores, como el nitruro de litio o magnesio. Avances posteriores introdujeron el compuesto ternario Ca3B2N4 como catalizador, lo que permitió la producción de grandes cristales de β-BN excepcionalmente puros.

Si bien la síntesis de cristales de β-BN en masa presenta desafíos, las técnicas de deposición como PVD y CVD con plasma han surgido como alternativas viables para generar recubrimientos delgados. Sin embargo, las dificultades asociadas con el crecimiento de cristales grandes y el depósito de capas gruesas obstaculizan la viabilidad comercial de los métodos de sinterización a baja presión para la producción de β-BN.

A pesar de los desafíos, la sinterización de partículas cúbicas de BN a alta temperatura y presión, condiciones en las que esta forma similar al diamante es estable, ha demostrado ser exitosa. Además, el γ-BN sintetizado por choque y prensado en caliente a 6,7 GPa y 1600 °C conduce a compactos autoadherentes con una estructura predominantemente cúbica, lo que ofrece vías prometedoras para una mayor exploración.

3. Wurtzita γ-BN:

La forma wurtzita del nitruro de boro, γ-BN, se puede obtener aplicando una compresión estática superior a 6,0 GPa. Alternativamente, la compresión dinámica a 12-13 GPa por debajo de 1700°C también puede producir esta forma.

3. Usos del nitruro de boro

Las notables propiedades del nitruro de boro (BN) se traducen en numerosas aplicaciones en diversos campos. Aquí hay un desglose de los diversos usos del polvo a-BN, las formas prensadas en caliente y las otras formas de BN:

1. Polvo de α-BN y formas prensadas en caliente:

  • Química: se utiliza como soporte de catalizador, material de crisol de alta temperatura y componente para equipos de laboratorio.
  • Metalurgia: se emplea en revestimientos refractarios para hornos, crisoles para fundir metales reactivos y boquillas de desgasificación.
  • Tecnología de alta temperatura: se utiliza como escudos térmicos, componentes en boquillas de cohetes y materiales aislantes.
  • Electrotecnia: Empleados como aislantes en equipos de alto voltaje y bujías.
  • Electrónica: Se utiliza como sustratos para circuitos integrados y componentes en dispositivos electrónicos de alta potencia.

2. Recubrimientos α-BN:

  • Empleado para la protección de superficies contra el desgaste y la oxidación a altas temperaturas.
  • Se utiliza como lubricante para rodamientos y otros componentes mecánicos.

3. β-BN cúbico (Borazón):

  • Se utiliza principalmente para cortar, perforar y moler materiales duros como diamante, cerámica y aceros duros.
  • Ofrece resistencia química superior y mayor dureza en comparación con el diamante en algunas aplicaciones.

4. Compactos β-BN sinterizados:

  • Empleado como herramientas de corte para aceros duros, superaleaciones a base de níquel y perforadoras de roca.
  • Se utilizan como matrices de trefilado debido a su durabilidad y resistencia al desgaste.

5. Wurtzita γ-BN:

  • Ofrece potencial como lubricante debido a su transformación en α-BN durante el corte, proporcionando lubricación y mejorando la vida útil de la herramienta.

Producción y precio global:

La producción mundial anual de polvo de α-BN es de aproximadamente 1000 toneladas y el precio del polvo de α-BN oscila entre 30 y 100 dólares por kilogramo.

Referencia