Il nitruro di boro (BN) è un composto formato dall’unione 1:1 di boro e azoto (vicini elementari del carbonio nella tavola periodica). Proprio come il carbonio, il nitruro di boro esiste in molteplici forme cristalline, note come allotropi, ciascuna delle quali rispecchia la struttura di uno specifico allotropo del carbonio.
- α-BN: modifica esagonale con una struttura a strati simile alla grafite, a volte chiamata “grafite bianca”.
- β-BN: modifica simile al diamante ad alta pressione con una struttura cubica di blenda di zinco.
- γ-BN: modifica esagonale densa con una struttura wurtzite.
Sommario
1. Proprietà del nitruro di boro
Il nitruro di boro è un materiale affascinante con proprietà simili sia alla grafite che al diamante, le sue controparti in carbonio. Esiste in tre forme primarie, ciascuna con caratteristiche e applicazioni uniche.
1.1. Nitruro di α-boro: l’allotropo simile alla grafite
La forma più comune di nitruro di boro è α-BN, una struttura esagonale simile alla grafite. Ha numerose proprietà interessanti:
- Bassa densità: 2,27 g/cm³
- Stabilità alle alte temperature: Punto di fusione superiore a 3000 °C
- Inerzia chimica: Resistente ad acidi, metalli fusi e alte temperature
- Eccellente conduttività termica: Paragonabile all’acciaio inossidabile a temperature criogeniche e all’ossido di berillio a temperature più elevate
- Isolamento elettrico superiore: Bassa costante dielettrica e elevata rigidità dielettrica
- Lubrificante efficace: Mantiene un basso coefficiente di attrito fino a 900 °C
- Non bagnante: Resistente all’attacco di vari materiali fusi e metalli reattivi
- Sinterizzabilità: La pressatura a caldo consente la creazione di forme dense
Grazie alla sua superiore stabilità alle alte temperature e inerzia, il nitruro di α-boro è ampiamente utilizzato come ceramica refrattaria. Supera in questo senso altre ceramiche di nitruro e ossido e trova applicazioni in vari ambienti ad alta temperatura.
1.2. Nitruro di β-boro: l’allotropo simile al diamante
Il nitruro di β-boro, noto anche come Borazon, possiede proprietà simili al diamante grazie alla sua struttura cristallina cubica. Caratteristiche:
- Incolore e altamente isolante (in forma pura)
- Elevata durezza Knoop: Circa 4700, superiore alla maggior parte dei materiali eccetto il diamante
- Eccezionale stabilità termica: Resistenza all’ossidazione fino a 1400 °C, significativamente superiore al diamante
- Eccellenti proprietà abrasive: Efficace ad alte temperature grazie alla stabilità superiore
Il nitruro di β-boro è un materiale prezioso per utensili da taglio, mole e altre applicazioni abrasive grazie alla sua durezza simile al diamante e alla resistenza alle alte temperature.
1.3. Nitruro di boro γ: l’allotropo metastabile
Il nitruro di boro γ, la forma wurtzite del nitruro di boro, è metastabile in condizioni di fabbricazione tipiche per il nitruro di boro β. Ha una densità vicina al nitruro di boro β e subisce una transizione di fase alla forma cubica ad alte pressioni e temperature.
Nonostante la sua stabilità limitata rispetto ad altre forme, il nitruro di boro γ ha potenziale per applicazioni specializzate grazie alle sue proprietà uniche.
| Proprietà | BN pressato a caldo | BN pressato isostaticamente a caldo | Ceramiche composite pressate a caldo BN/ZrO2 |
|---|---|---|---|
| Densità apparente, g/cm3 | 2,0 | 2,2 | 2,8 - 3,6b |
| Porosità, vol % | < 7 | < 1 | < 7 |
| Modulo di rottura (4 punti), aMPa | 100/80 | 50 | 130/70 |
| Modulo di Young,a GPa | 70/35 | 30 | 80/35 |
| Conduttività termica, 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 |
| Coefficiente di dilatazione termica, α10-6 K-1 (a 20 - 1000 °C) | 1,2/8,0 | 4,0 | 4,5 - 9,0/8,5 - 11,0b |
| Calore specifico, J/gK (a 20 °C) | 0,8 | 0,8 | 0,7 |
| Resistività elettrica, Ωcm (a 20 °C) | > 1012 | > 1012 | > 1012 |
| Rigidità dielettrica, kV/mm (a 20 °C) | > 6 | > 6 | > 6 |
b Dipende dal rapporto ZrO2..
Nel complesso, il nitruro di boro offre una straordinaria combinazione di proprietà che lo rendono prezioso per vari settori. Le sue diverse forme soddisfano esigenze specifiche, che vanno dalla ceramica e dagli abrasivi ad alta temperatura all’elettronica avanzata e ai lubrificanti.
2. Produzione di nitruro di boro
Il nitruro di boro, un materiale affascinante con proprietà straordinarie, presenta diverse forme a seconda del processo di sintesi. Questa esplorazione approfondisce i metodi per produrre queste forme, evidenziandone le caratteristiche e le applicazioni uniche.
1. Nitruro di α-boro esagonale:
La prima sintesi riuscita di nitruro di α-boro esagonale risale alla metà del XIX secolo da parte di Balmain. Tuttavia, rimase una mera curiosità nel mondo scientifico fino alla metà del XX secolo, quando lo sviluppo di tecniche di pressatura a caldo facilitò la produzione di nitruro di α-boro denso e sagomato. Oggi, due metodi industriali primari si distinguono per la loro efficienza:
1. Reazione di ossido borico o acido borico con ammoniaca: Questo metodo, che spesso utilizza l’ortofosfato tricalcico come vettore, genera nitruro di α-boro cristallino sotto forma di piastrine esagonali. Un successivo trattamento termico superiore a 1500 °C sotto azoto purifica e stabilizza ulteriormente il materiale.
2. Reazione dell’acido borico o del borace con composti organici azotati: Questo approccio, che impiega ad esempio urea o melammina, può produrre nitruro di boro turbostratico. Questa variante presenta una struttura esagonale ma non presenta un ordine tridimensionale completo all’interno dei suoi strati.
La ricerca di nitruro di boro α denso ha portato a due approcci efficaci:
- Pressatura isostatica assiale o a caldo: Questo metodo comprime polveri fini in billette lavorabili, offrendo versatilità per varie applicazioni.
- Pirolisi della miscela di BCl3 e NH3: Questo processo deposita nitruro di boro α su un substrato di grafite, dando origine a un materiale privo di pori e impermeabile all’elio. Tuttavia, questa forma pirolitica presenta proprietà anisotropiche dovute all’orientamento dei suoi strati.
Oltre a queste forme comuni, il nitruro di α-boro può anche essere prodotto come fibre, film sottili e persino compositi multidimensionali intricati, espandendo ulteriormente le sue potenziali applicazioni.
2. Nitruro di β-boro cubico:
La trasformazione del nitruro di α-boro nella sua controparte cubica, il nitruro di β-boro, noto anche come Borazon, richiede condizioni estreme: pressioni elevate tra 4 e 6 GPa abbinate a temperature che vanno da 1400 a 1700 °C.
Queste condizioni impegnative sono spesso facilitate dalla presenza di catalizzatori, come il nitruro di litio o di magnesio. I progressi successivi hanno introdotto il composto ternario Ca3B2N4 come catalizzatore, consentendo la produzione di cristalli di nitruro di β-boro eccezionalmente puri e grandi.
Mentre la sintesi di cristalli di nitruro di β-boro in massa presenta delle sfide, tecniche di deposizione come PVD e CVD al plasma sono emerse come valide alternative per generare rivestimenti sottili. Tuttavia, le difficoltà associate alla crescita di cristalli grandi e al deposito di strati spessi ostacolano la fattibilità commerciale dei metodi di sinterizzazione a bassa pressione per la produzione di nitruro di β-boro.
Nonostante le sfide, la sinterizzazione di particelle di nitruro di boro cubico ad alta temperatura e pressione, condizioni in cui questa forma simile al diamante è stabile, si è dimostrata efficace. Inoltre, la pressatura a caldo del nitruro di boro γ-shock sintetizzato a 6,7 GPa e 1600 °C porta a compatti autolegati con una struttura prevalentemente cubica, offrendo promettenti strade per ulteriori esplorazioni.
3. Nitruro di boro γ-Wurtzite:
La forma wurtzite del nitruro di boro, il nitruro di boro γ-, può essere ottenuta applicando una compressione statica superiore a 6,0 GPa. In alternativa, anche la compressione dinamica a 12-13 GPa al di sotto di 1700 °C può produrre questa forma.
3. Utilizzi del nitruro di boro
Il nitruro di boro è utilizzato in vari campi. Ecco una ripartizione dei diversi utilizzi della polvere di nitruro di α-boro, delle forme pressate a caldo e delle altre forme di nitruro di boro:
1. Polvere di nitruro di α-boro e forme pressate a caldo:
- Chimica: Utilizzato come supporto per catalizzatori, materiale per crogioli ad alta temperatura e componente per apparecchiature di laboratorio.
- Metallurgia: Impiegato in rivestimenti refrattari per forni, crogioli per la fusione di metalli reattivi e ugelli di degasaggio.
- Tecnologia ad alta temperatura: Utilizzato come scudi termici, componenti in ugelli per razzi e materiali isolanti.
- Elettrotecnica: Impiegati come isolanti in apparecchiature ad alta tensione e candele.
- Elettronica: Utilizzati come substrati per circuiti integrati e componenti in dispositivi elettronici ad alta potenza.
2. Rivestimenti in nitruro di α-boro:
- Impiegato per la protezione superficiale contro l’usura e l’ossidazione ad alte temperature.
- Utilizzato come lubrificante per cuscinetti e altri componenti meccanici.
3. Nitruro di β-boro cubico (Borazon):
- Utilizzato principalmente per tagliare, forare e rettificare materiali duri come diamanti, ceramiche e acciai duri.
- Offre una resistenza chimica superiore e una maggiore tenacità rispetto al diamante in alcune applicazioni.
4. Compatti in nitruro di β-boro sinterizzato:
- Impiegati come utensili da taglio per acciai duri, superleghe a base di nichel e perforatrici da roccia.
- Utilizzati come filiere per trafilatura grazie alla loro durevolezza e resistenza all’usura.
5. Nitruro di γ-boro Wurtzite:
Offre potenziale come lubrificante grazie alla sua trasformazione in nitruro di α-boro durante il taglio, fornendo lubrificazione e migliorando la durata dell’utensile.
La produzione mondiale annuale di polvere di nitruro di α-boro è di circa 1000 tonnellate e il prezzo della polvere di nitruro di α-boro varia da 30 a 100 USD al chilogrammo.
Riferimento
- Boron Carbide, Boron Nitride, and Metal Borides; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a04_295.pub2
