Boornitride (BN) is een verbinding die wordt gevormd door de 1:1-verbinding van boor en stikstof (elementaire buren van koolstof in het periodiek systeem). Net als koolstof bestaat boornitride in meerdere kristallijne vormen, bekend als allotropen, die elk de structuur van een specifieke koolstofallotroop weerspiegelen.
- α-BN: Hexagonale modificatie met een gelaagde structuur die lijkt op grafiet, soms “wit grafiet” genoemd.
- β-BN: Hogedruk diamantachtige modificatie met een kubische zinkblendestructuur.
- γ-BN: Dichte hexagonale modificatie met een wurtzietstructuur.
Inhoudsopgave
1. Eigenschappen van boornitride
Boornitride is een fascinerend materiaal met eigenschappen die lijken op die van grafiet en diamant, zijn koolstoftegenhangers. Het bestaat in drie primaire vormen, elk met unieke kenmerken en toepassingen.
1.1. α-Boornitride: de grafietachtige allotroop
De meest voorkomende vorm van boornitride is α-BN, een hexagonale structuur die lijkt op grafiet. Het heeft talrijke aantrekkelijke eigenschappen:
- Lage dichtheid: 2,27 g/cm³
- Hoge temperatuurstabiliteit: Smeltpunt hoger dan 3000 °C
- Chemische inertheid: Bestand tegen zuren, gesmolten metalen en hoge temperaturen
- Uitstekende thermische geleidbaarheid: Vergelijkbaar met roestvrij staal bij cryogene temperaturen en berylliumoxide bij hogere temperaturen
- Superieure elektrische isolatie: Lage diëlektrische constante en hoge diëlektrische sterkte
- Effectief smeermiddel: Behoudt een lage wrijvingscoëfficiënt tot 900 °C
- Niet-bevochtigend: Bestand tegen aantasting door verschillende gesmolten materialen en reactieve metalen
- Sinterbaarheid: Warmpersen maakt het mogelijk om dichte vormen te creëren
Vanwege zijn superieure stabiliteit bij hoge temperaturen en inertheid, wordt α-boornitride veel gebruikt als vuurvast keramiek. Het overtreft andere nitride- en oxidekeramiek in dit opzicht en vindt toepassingen in verschillende omgevingen met hoge temperaturen.
1.2. β-boornitride: de diamantachtige allotroop
β-boornitride, ook bekend als Borazon, bezit eigenschappen die vergelijkbaar zijn met diamant vanwege zijn kubische kristalstructuur. Het beschikt over:
- Kleurloos en zeer isolerend (in zuivere vorm)
- Hoge Knoop-hardheid: Ongeveer 4700, beter dan de meeste materialen behalve diamant
- Uitstekende thermische stabiliteit: Oxidatiebestendigheid tot 1400 °C, aanzienlijk hoger dan diamant
- Uitstekende schurende eigenschappen: Effectief bij hoge temperaturen dankzij superieure stabiliteit
β-boornitride is een waardevol materiaal voor het snijden gereedschappen, slijpschijven en andere schurende toepassingen vanwege de diamantachtige hardheid en hoge temperatuurbestendigheid.
1.3. γ-Boornitride: De metastabiele allotroop
γ-Boornitride, de wurtzietvorm van boornitride, is metastabiel onder typische fabricageomstandigheden voor β-boornitride. Het heeft een dichtheid die dicht bij β-boornitride ligt en ondergaat een faseovergang naar de kubische vorm bij hoge druk en temperaturen.
Ondanks de beperkte stabiliteit in vergelijking met andere vormen, heeft γ-boornitride potentieel voor gespecialiseerde toepassingen vanwege zijn unieke eigenschappen.
| Eigenschap | Warmgeperst BN | Warm isostatisch geperst BN | Warmgeperst composietkeramiek BN/ZrO2 |
|---|---|---|---|
| Bulkdichtheid, g/cm3 | 2,0 | 2,2 | 2,8 - 3,6b |
| Porositeit, vol % | < 7 | < 1 | < 7 |
| Ruptuurmodulus (4-punts), aMPa | 100/80 | 50 | 130/70 |
| Young's modulus,a GPa | 70/35 | 30 | 80/35 |
| Thermische geleidbaarheid, 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 |
| Thermische uitzettingscoëfficiënt, α10-6 K-1 | |||
| (bij 20 - 1000 °C) | 1,2/8,0 | 4,0 | 4,5 - 9,0/8,5 - 11,0b |
| Soortelijke warmte, J/gK (bij 20 °C) | 0,8 | 0,8 | 0,7 |
| Elektrische weerstand, Ωcm (bij 20 °C) | > 1012 | > 1012 | > 1012 |
| Diëlektrische sterkte, kV/mm (bij 20 °C) | > 6 | > 6 | > 6 |
b Afhankelijk van de ZrO2 verhouding.
Over het algemeen biedt boornitride een opmerkelijke combinatie van eigenschappen die het waardevol maken voor verschillende industrieën. De verschillende vormen voldoen aan specifieke behoeften, variërend van keramiek en schuurmiddelen voor hoge temperaturen tot geavanceerde elektronica en smeermiddelen.
2. Productie van boornitride
Boornitride, een fascinerend materiaal met opmerkelijke eigenschappen, vertoont verschillende vormen, afhankelijk van het syntheseproces. Deze verkenning verdiept zich in de methoden voor het produceren van deze vormen, waarbij hun unieke kenmerken en toepassingen worden benadrukt.
2.1. Hexagonaal α-boornitride
De eerste succesvolle synthese van hexagonaal α-boornitride dateert uit het midden van de 19e eeuw door Balmain. Het bleef echter een curiositeit in de wetenschappelijke wereld tot het midden van de 20e eeuw, toen de ontwikkeling van warmperstechnieken de productie van dichte, gevormde α-boornitride vergemakkelijkte. Tegenwoordig vallen twee primaire industriële methoden op door hun efficiëntie:
1. Reactie van booroxide of boorzuur met ammoniak: Deze methode, waarbij vaak tricalciumorthofosfaat als drager wordt gebruikt, genereert kristallijn α-boornitride in de vorm van hexagonale plaatjes. Een daaropvolgende warmtebehandeling van meer dan 1500 °C onder stikstof zuivert en stabiliseert het materiaal verder.
2. Reactie van boorzuur of borax met organische stikstofverbindingen: Deze aanpak, waarbij bijvoorbeeld ureum of melamine wordt gebruikt, kan turbostratisch boornitride opleveren. Deze variant vertoont een hexagonale structuur, maar mist een volledige driedimensionale orde binnen de lagen.
De zoektocht naar dichte α-boornitride leidde tot twee effectieve benaderingen:
- Axiaal of heet isostatisch persen: Deze methode comprimeert fijne poeders tot bewerkbare staven, wat veelzijdigheid biedt voor verschillende toepassingen.
- Pyrolyse van BCl3 en NH3-mengsel: Dit proces zet α-boornitride af op een grafietsubstraat, wat resulteert in een porievrij en helium-ondoordringbaar materiaal. Deze pyrolytische vorm vertoont echter anisotrope eigenschappen vanwege de oriëntatie van de lagen.
Naast deze veelvoorkomende vormen kan α-boornitride ook worden geproduceerd als vezels, dunne films en zelfs ingewikkelde multidimensionale composieten, waardoor de potentiële toepassingen verder worden uitgebreid.
2.2. Kubieke β-boornitride
De transformatie van α-boornitride in zijn kubieke tegenhanger, β-boornitride, ook bekend als Borazon, vereist extreme omstandigheden: hoge drukken tussen 4 en 6 GPa in combinatie met temperaturen variërend van 1400 tot 1700 °C.
Deze veeleisende omstandigheden worden vaak gefaciliteerd door de aanwezigheid van katalysatoren, zoals lithium of magnesiumnitride. Latere ontwikkelingen introduceerden de ternaire verbinding Ca3B2N4 als katalysator, waardoor de productie van uitzonderlijk zuivere, grote β-boornitridekristallen mogelijk werd.
Hoewel de synthese van bulk β-boornitridekristallen uitdagingen met zich meebrengt, zijn depositietechnieken zoals PVD en plasma CVD naar voren gekomen als haalbare alternatieven voor het genereren van dunne coatings. De moeilijkheden die gepaard gaan met het kweken van grote kristallen en het afzetten van dikke lagen belemmeren echter de commerciële levensvatbaarheid van lagedruk-sintermethoden voor de productie van β-boornitride.
Ondanks de uitdagingen is het sinteren van kubische boornitridedeeltjes onder hoge temperatuur en druk, omstandigheden waarin deze diamantachtige vorm stabiel is, succesvol gebleken. Bovendien leidt het heetpersen van schokgesynthetiseerd γ-boornitride bij 6,7 GPa en 1600 °C tot zelfgebonden compacts met een overwegend kubische structuur, wat veelbelovende wegen biedt voor verdere verkenning.
2.3. Wurtziet γ-boornitride
De wurtzietvorm van boornitride, γ-boornitride, kan worden verkregen door statische compressie toe te passen die groter is dan 6,0 GPa. Alternatief kan dynamische compressie bij 12-13 GPa onder 1700 °C ook deze vorm opleveren.
3. Toepassingen van boornitride
Boornitride wordt in verschillende velden gebruikt. Hier is een overzicht van de diverse toepassingen van α-boornitridepoeder, warmgeperste vormen en de andere vormen van boornitride:
1. α-Boornitride poeder en warmgeperste vormen:
- Chemie: Gebruikt als katalysatordrager, materiaal voor hogetemperatuurkroezen en component voor laboratoriumapparatuur.
- Metallurgie: Gebruikt in vuurvaste bekledingen voor ovens, kroezen voor het smelten van reactieve metalen en ontgassingsmondstukken.
- Hogetemperatuurtechnologie: Gebruikt als hitteschilden, componenten in raketmondstukken en isolatiematerialen.
- Elektrotechniek: Wordt gebruikt als isolatoren in hoogspanningsapparatuur en bougies.
- Elektronica: Wordt gebruikt als substraten voor geïntegreerde schakelingen en componenten in elektronische apparaten met een hoog vermogen.
2. α-Boornitride-coatings:
- Wordt gebruikt voor oppervlaktebescherming tegen slijtage en oxidatie bij hoge temperaturen.
- Wordt gebruikt als smeermiddel voor lagers en andere mechanische componenten.
3. Kubieke β-boornitride (Borazon):
- Wordt voornamelijk gebruikt voor het snijden, boren en slijpen van harde materialen zoals diamant, keramiek en hard staal.
- Biedt superieure chemische bestendigheid en grotere taaiheid vergeleken met diamant in sommige toepassingen.
4. Gesinterde β-boornitride compacten:
- Wordt gebruikt als snijgereedschap voor harde staalsoorten, nikkel-gebaseerde superlegeringen en steenboren.
- Wordt gebruikt als draadtrekmatrijzen vanwege hun duurzaamheid en slijtvastheid.
5. Wurtzite γ-Boornitride:
- Biedt potentieel als smeermiddel vanwege de transformatie naar α-boron nitride tijdens het snijden, wat zorgt voor smering en een langere levensduur van het gereedschap.
De jaarlijkse wereldproductie van α-boron nitride poeder is ongeveer 1000 ton en de prijs van α-boron nitride poeder varieert van 30 tot 100 USD per kilogram.
Referentie
- Boorcarbide, boornitride en metaalboriden; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a04_295.pub2
