Nitrure de bore : propriétés, production et utilisations

Boron Nitride

Le nitrure de bore (BN) est un composé formé par l’union 1:1 du bore et de l’azote (voisins élémentaires du carbone dans le tableau périodique). Tout comme le carbone, le nitrure de bore existe sous plusieurs formes cristallines, appelées allotropes, chacune reflétant la structure d’un allotrope de carbone spécifique.

  • Alpha-BN : modification hexagonale avec une structure en couches similaire au graphite, parfois appelée « graphite blanc ».
  • Beta-BN : modification semblable à un diamant à haute pression avec une structure cubique en mélange de zinc.
  • Gamma-BN : modification hexagonale dense avec une structure wurtzite.

Table des matières

1. Propriétés du nitrure de bore

Le nitrure de bore (BN) est un matériau fascinant dont les propriétés ressemblent à la fois au graphite et au diamant, ses homologues du carbone. Il existe sous trois formes principales, chacune avec des caractéristiques et des applications uniques.

1.1. α-BN : l’allotrope de type graphite

La forme la plus courante de BN est l’α-BN, une structure hexagonale similaire au graphite. Il possède de nombreuses propriétés attractives :

  • Faible densité : 2,27 g/cm³
  • Stabilité à haute température : Point de fusion supérieur à 3 000 °C
  • Inertie chimique : Résistant aux acides, aux métaux en fusion et aux températures élevées
  • Excellente conductivité thermique : Comparable à l’acier inoxydable à des températures cryogéniques et à l’oxyde de béryllium à des températures plus élevées
  • Isolation électrique supérieure : Faible constante diélectrique et rigidité diélectrique élevée
  • Lubrifiant efficace : Maintient un faible coefficient de friction jusqu’à 900 °C
  • Non mouillant : Résistant aux attaques de divers matériaux en fusion et métaux réactifs
  • Fritabilité : Le pressage à chaud permet de créer des formes denses

En raison de sa stabilité supérieure à haute température et de son inertie, l’α-BN est largement utilisé comme céramique réfractaire. Elle surpasse les autres céramiques de nitrure et d’oxyde à cet égard et trouve des applications dans divers environnements à haute température.

1.2. β-BN : l’allotrope de type diamant

Le β-BN, également connu sous le nom de Borazon, possède des propriétés similaires à celles du diamant en raison de sa structure cristalline cubique. Il comprend :

  • Incolore et hautement isolant (sous forme pure)
  • Dureté Knoop élevée : Environ 4 700, dépassant la plupart des matériaux à l’exception du diamant
  • Stabilité thermique exceptionnelle : Résistance à l’oxydation jusqu’à 1 400 °C, nettement supérieure à celle du diamant
  • Excellentes propriétés abrasives : Efficace à haute température grâce à une stabilité supérieure

Le β-BN est un matériau précieux pour les outils de coupe, les meules et autres applications abrasives en raison de sa dureté semblable à celle du diamant et de sa résistance aux températures élevées.</p >

1.3. γ-BN : l’allotrope métastable

γ-BN, la forme wurtzite du BN, est métastable dans des conditions de fabrication typiques du β-BN. Il a une densité proche du β-BN et subit une transition de phase vers la forme cubique à des pressions et des températures élevées.

Malgré sa stabilité limitée par rapport à d’autres formes, le γ-BN présente un potentiel pour des applications spécialisées en raison de ses propriétés uniques.

Tableau 1. Données de propriétés sur les céramiques au nitrure de bore
Propriété BN pressé à chaud BN pressé isostatiquement à chaud Céramique composite pressée à chaud BN/ZrO2
Densité apparente, g/cm3 2.0 2.2 2,8 - 3,6b
Porosité, % vol < 7 < 1 < 7
Module de rupture (4 points), aMPa 100/80 50 130/70
Module de Young,a GPa 70/35 30 80/35
Conductivité thermique, 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
1 000 °C 15/10 20 25 - 15/13 - 18
Coefficient de dilatation thermique, α10-6 K-1
(à 20 - 1 000 °C) 1.2/8.0 4.0 4,5 - 9,0/8,5 - 11,0b
Chaleur spécifique, J/gK (à 20 °C) 0,8 0,8 0,7
Résistivité électrique, Ωcm (à 20 °C) > 1012 > 1012 > 1012
Rigidité diélectrique, kV/mm (à 20 °C) > 6 > 6 > 6
a Testez l'orientation verticale/parallèle à la direction de pression.
b Dépend du rapport ZrO2.

Dans l’ensemble, le nitrure de bore offre une combinaison remarquable de propriétés qui le rend précieux pour diverses industries. Ses diverses formes répondent à des besoins spécifiques, allant des céramiques et abrasifs haute température à l’électronique et aux lubrifiants avancés.

2. Production de nitrure de bore

Le nitrure de bore, matériau fascinant aux propriétés remarquables, présente des formes diverses selon le procédé de synthèse. Cette exploration approfondit les méthodes de production de ces formes, mettant en évidence leurs caractéristiques et applications uniques.

1. α-BN hexagonal :

La première synthèse réussie de l’α-BN hexagonal remonte au milieu du XIXe siècle par Balmain. Cependant, il est resté une simple curiosité dans le monde scientifique jusqu’au milieu du XXe siècle, lorsque le développement des techniques de pressage à chaud a facilité la production d’α-BN dense et façonné. Aujourd’hui, deux principales méthodes industrielles se distinguent par leur efficacité :

1. Réaction de l’oxyde borique ou de l’acide borique avec de l’ammoniaque : cette méthode, utilisant souvent L’orthophosphate tricalcique en tant que support génère de l’α-BN cristallin sous forme de plaquettes hexagonales. Un traitement thermique ultérieur dépassant 1 500 °C sous azote purifie et stabilise davantage le matériau.

Production of boron nitride by Reaction of boric oxide with ammonia

2. Réaction de l’acide borique ou du borax avec des composés organiques azotés : Cette approche, utilisant par exemple de l’urée ou de la mélamine, peut produire du nitrure de bore turbostratique. Cette variante présente une structure hexagonale mais manque d’ordre tridimensionnel complet au sein de ses couches.

Production of boron nitride by Reaction of boric oxide with urea

La recherche d’α-BN dense a conduit à deux approches efficaces :

  1. Pressage axial ou isostatique à chaud : Cette méthode comprime les poudres fines en billettes usinables, offrant une polyvalence pour diverses applications.
  2. Pyrolyse du mélange BCl3 et NH3 : ce processus dépose de l’α-BN sur un substrat en graphite, ce qui donne lieu à un substrat sans pores et à l’hélium. matériau imperméable. Cependant, cette forme pyrolytique présente des propriétés anisotropes dues à l’orientation de ses couches.

Au-delà de ces formes courantes, l’α-BN peut également être produit sous forme de fibres, de films minces et même de composites multidimensionnels complexes, élargissant ainsi ses applications potentielles.

2. β-BN cubique :

La transformation de l’α-BN en son homologue cubique, le β-BN, également connu sous le nom de Borazon, nécessite des conditions extrêmes : des pressions élevées entre 4 et 6 GPa couplées à des températures allant de 1400 à 1700°C.

Ces conditions exigeantes sont souvent facilitées par la présence de catalyseurs, tels que le nitrure de lithium ou de magnésium. Des progrès ultérieurs ont introduit le composé ternaire Ca3B2N4 comme catalyseur, permettant la production de grands cristaux de β-BN exceptionnellement purs.

Bien que la synthèse de cristaux massifs de β-BN présente des défis, les techniques de dépôt telles que le PVD et le CVD au plasma sont apparues comme des alternatives viables pour générer des revêtements minces. Cependant, les difficultés associées à la croissance de gros cristaux et au dépôt de couches épaisses entravent la viabilité commerciale des méthodes de frittage à basse pression pour la production de β-BN.

Malgré les défis, le frittage de particules cubiques de BN à haute température et pression, conditions dans lesquelles cette forme semblable à un diamant est stable, s’est avéré efficace. De plus, le γ-BN synthétisé par pressage à chaud à 6,7 GPa et 1 600 °C conduit à des compacts auto-liés avec une structure principalement cubique, offrant des voies prometteuses pour une exploration plus approfondie.

3. Wurtzite γ-BN :

La forme wurtzite du nitrure de bore, γ-BN, peut être obtenue en appliquant une compression statique supérieure à 6,0 GPa. Alternativement, une compression dynamique à 12-13 GPa en dessous de 1 700 °C peut également donner cette forme.

3. Utilisations du nitrure de bore

Les propriétés remarquables du nitrure de bore (BN) se traduisent par de nombreuses applications dans divers domaines. Voici un aperçu des diverses utilisations de la poudre d’a-BN, des formes pressées à chaud et des autres formes de BN :

1. Poudre α-BN et formes pressées à chaud :

  • Chimie : utilisé comme support de catalyseur, matériau de creuset à haute température et composant pour équipement de laboratoire.
  • Métallurgie : Utilisé dans les revêtements réfractaires des fours, les creusets pour la fusion des métaux réactifs et les buses de dégazage.
  • Technologie haute température : utilisée comme bouclier thermique, composants dans les tuyères de fusée et matériaux d’isolation.
  • Électrotechnique : utilisé comme isolant dans les équipements haute tension et les bougies d’allumage.
  • Électronique : utilisé comme substrats pour les circuits intégrés et les composants dans les appareils électroniques haute puissance.

2. Revêtements α-BN :

  • Utilisé pour la protection des surfaces contre l’usure et l’oxydation à haute température.
  • Utilisé comme lubrifiant pour les roulements et autres composants mécaniques.

3. β-BN cubique (Borazon) :

  • Principalement utilisé pour couper, percer et meuler des matériaux durs comme le diamant, la céramique et les aciers durs.
  • Offre une résistance chimique supérieure et une plus grande ténacité par rapport au diamant dans certaines applications.

4. Compacts β-BN frittés :

  • Utilisé comme outils de coupe pour les aciers durs, les superalliages à base de nickel et les perforateurs à roche.
  • Utilisées comme matrices de tréfilage en raison de leur durabilité et de leur résistance à l’usure.

5. Wurtzite γ-BN :

Offre un potentiel en tant que lubrifiant grâce à sa transformation en α-BN pendant la coupe, assurant la lubrification et améliorant la durée de vie de l’outil.

Production mondiale et prix :

La production mondiale annuelle de poudre d’α-BN est d’environ 1 000 tonnes et le prix de la poudre d’α-BN varie de 30 à 100 USD par kilogramme.

Référence