Bornitrid ist ein aus Stickstoff- und Boratomen zusammengesetzter Kristall mit der Summenformel BN, einem Molekulargewicht von 24,81, einer chemischen Zusammensetzung von 43,6 % Bor und 56,4 % Stickstoff und einer theoretischen Dichte von 2,27 g/cm3.
Bornitridpulver hat die Eigenschaften von locker, schmierend, leicht, absorbiert leicht Feuchtigkeit usw., und die Farbe ist weiß. Bornitridprodukte sind elfenbeinweiß.
Bornitrid wurde erstmals vor mehr als 100 Jahren im Labor von Bellman entdeckt, und das Material wurde Ende der 1950er Jahre in großem Maßstab entwickelt.
Bornitrid (BN) ist ein neuartiges keramisches Material mit ausgezeichneter Leistung und großem Entwicklungspotenzial. Es umfasst 5 Isomere, nämlich hexagonales Bornitrid (h-BN), wurtzitisches Bornitrid (w-BN), rhombisches Bornitrid (r-BN), kubisches Bornitrid (c-BN) und orthorhombisches Bornitrid (o-BN). Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung über Bornitrid hauptsächlich auf die hexagonale Phase (H-BN) und die kubische Phase (C-BN).
Die Eigenschaften von Bornitrid lassen sich hauptsächlich in die folgenden Aspekte unterteilen:
✔ Mechanische Eigenschaften: Es hat die Vorteile der Abriebfestigkeit, des geringen Verschleißes, der Formsicherheit, der guten Schmierfähigkeit, der Feuerbeständigkeit und der einfachen Verarbeitung.
✔ Elektrische Eigenschaften: gute Durchschlagsfestigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante, geringer Verlust bei hohen Frequenzen, Durchdringung von Mikrowellen, gute elektrische Isolierung, usw.
✔ Thermische Eigenschaften: hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Wärmekapazität, geringe Wärmeausdehnung, Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Temperaturschmierfähigkeit und hohe Temperaturstabilität.
✔ Chemische Eigenschaften: ungiftig, chemisch stabil, korrosionsbeständig, oxidationsbeständig, feuchtigkeitsarm, biologisch stabil und antihaftend.
Hexagonales Bornitrid
Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist die am häufigsten verwendete Form von Bornitrid. Die Struktur von h-BN ähnelt der von Graphit, mit einer hexagonalen Schichtstruktur, Gitterkonstanten a=0,2504nm, c=0,6661nm, einer theoretischen Dichte von 2,27g/cm3, einem Schmelzpunkt von 3000℃, einer weichen Textur, einer guten Verarbeitbarkeit und einer weißen Farbe, die allgemein als “weißer Graphit” bekannt ist.
Hexagonales Bornitrid (h-BN) hat eine hervorragende elektrische Isolierung, eine ausgezeichnete chemische Stabilität und hervorragende dielektrische Eigenschaften.
Thermische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: kein offensichtlicher Schmelzpunkt, Sublimation bei 3000℃ in 0,1MPA Stickstoff, Schmelzpunkt 3000℃ in Inertgas, Wärmebeständigkeit bis 2000℃ in neutraler reduzierender Atmosphäre, Verwendungstemperatur bis 2800℃ in Stickstoff und Argon, schlechte Stabilität in Sauerstoffatmosphäre, Verwendungstemperatur unter 1000℃.
Hexagonales Bornitrid ist eines der wärmeleitenden Materialien unter den keramischen Werkstoffen, mit einer Wärmeleitfähigkeit, die zehnmal so hoch ist wie die von Quarz, und einer höheren Wärmeleitfähigkeit von 60 W/(m-K) in der Richtung senkrecht zur c-Achse;
Niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient, gleichwertig mit Quarz, ist der kleinste unter den Keramiken, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 41*10-6m/Kin Richtung der c-Achse und 2,3*10-6m/Kin Richtung der d-Achse, so dass es eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweist.
Mechanische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: Der Reibungskoeffizient beträgt nur 0,16, und er steigt bei hohen Temperaturen nicht an. Es hat eine höhere Temperaturbeständigkeit als Molybdändisulfid und Graphit. Es kann bis zu 900℃ in einer oxidierenden Atmosphäre und bis zu 2000℃ in einem Vakuum verwendet werden. Die Schmierleistung ist bei Raumtemperatur schlecht, daher wird es oft mit Graphitfluorid, Graphit und Molybdändisulfid als Hochtemperaturschmierstoff gemischt.
Hexagonales Bornitrid ist ein weiches Material mit einer Mohshärte von nur 2. Es lässt sich gut bearbeiten und kann mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit gedreht, gefräst, gehobelt, gebohrt, geschliffen und geschnitten werden, so dass es mit allgemeinen mechanischen Bearbeitungsmethoden zu hochpräzisen Teilen und Produkten verarbeitet werden kann.
Elektrische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: Hexagonales Bornitrid ist ein guter Wärmeleiter und ein typischer elektrischer Isolator. Die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur kann 10^16~10^18Ω/cm erreichen, und selbst bei 1000℃ beträgt der spezifische Widerstand noch 1014~106Ω/cm. Die Dielektrizitätskonstante von h-BN beträgt 3~5, der dielektrische Verlust ist (2~8)*10-4 und die Durchschlagfestigkeit ist doppelt so hoch wie die von Al2O3 und erreicht 30~40kV/mm, so dass es ein ideales Material für die Hochfrequenz-, Hochspannungs- und Hochtemperaturisolierung ist.
Chemische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: HBN hat eine ausgezeichnete chemische Stabilität. Es reagiert nicht mit allgemeinen Metallen, Seltenerdmetallen, Edelmetallen, Halbleitermaterialien, Glas, geschmolzenen Salzen, anorganischen Säuren und Laugen. Es benetzt die meisten Metallschmelzen wie Stahl, Edelstahl, Al, Fe, Ge, Cu, Ni, Zn usw. nicht und wirkt auch nicht auf sie ein. Daher kann es als Schutzabdeckung für Hochtemperatur-Thermoelemente, als Tiegel für geschmolzenes Metall, als Behälter für die Beförderung von Flüssigmetall, als Rohr für die Beförderung von Flüssigmetall, als Pumpenteile, als Form für Stahlguss und als elektrisches Hochtemperatur-Isoliermaterial verwendet werden.
Kubisches Bornitrid
Kubisches Bornitrid (c-BN) wurde erstmals synthetisiert von General Electric (GE) in den Vereinigten Staaten in den 1950er Jahren unter hohen Temperaturen und hohem Druck synthetisiert. Seine Härte ist nach der von Diamant die zweithärteste und weitaus höher als die anderer Materialien, weshalb es zusammen mit Diamant als superharte Materialien bezeichnet wird.
Superharte Werkstoffe werden häufig für Säge-, Schleif-, Bohr- und Schneidewerkzeuge verwendet. Diamant wird bei hohen Temperaturen leicht oxidiert, insbesondere mit Eisenelementen, und ist für die Bearbeitung von Eisenmetallen nicht geeignet. Kubisches Bornitrid hat eine ähnliche Kristallstruktur wie Diamant, seine Härte ist jedoch etwas geringer als die von Diamant. Es wird häufig als Schleifmittel und Werkzeugmaterial verwendet.
1957 entwickelte R.H. Wintoff aus den Vereinigten Staaten erstmals kubisches Bornitrid, aber natürliches kubisches Bornitrid wurde bisher nicht gefunden.
Zu den Eigenschaften von kubischem Bornitrid gehören vor allem eine hohe Härte und thermische Stabilität, und seine Mikrohärte ist die zweithöchste nach der von künstlichem Diamant.
✔ Seine thermische Stabilität ist besser als die des künstlichen Diamanten, und es kann auch bei hohen Temperaturen ausreichend hohe mechanische Eigenschaften und Härte beibehalten und hat eine gute Rothärte;
✔ Er hat eine stabile Struktur, eine hohe Oxidationsbeständigkeit, eine gute chemische Stabilität, insbesondere besser als Diamant, und reagiert bei Temperaturen von 1100~1300℃ nicht chemisch mit Elementen der Eisengruppe, so dass er besonders für die Bearbeitung von Eisenmetallen geeignet ist;
✔ Die Wärmeleitfähigkeit ist geringer als die von Diamant, aber höher als die von Sinterkarbid, und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit;
✔ Hohe Biegefestigkeit;
✔ Als Schleifwerkzeugmaterial hat es eine lange Lebensdauer und eine gute Verschleißfestigkeit.
Einkristallines kubisches Bornitrid hat jedoch eine kleine Korngröße, Anisotropie und eine Spaltungsebene, die leicht zu spalten ist. Es ist spröde und kann sehr leicht gespalten werden.
c-BN hat eine hohe Härte, chemische Inertheit und thermische Stabilität bei hohen Temperaturen, so dass es häufig als Schleifmittel für c-BN-Schleifscheiben bei der Schleifbearbeitung verwendet wird.
Da c-BN über bessere Eigenschaften als andere Werkzeugmaterialien verfügt, hat man von Anfang an versucht, es für die spanabhebende Bearbeitung einzusetzen, aber die Partikel von einkristallinem c-BN sind klein und es ist schwierig, Werkzeuge herzustellen, und die Sintereigenschaften von c-BN sind sehr schlecht, was die Herstellung größerer c-BN-Sinterkörper erschwert. Erst in den 1970er Jahren entwickelten die ehemalige Sowjetunion, China, die Vereinigten Staaten, das Vereinigte Königreich und andere Länder erfolgreich c-BN-Sinterkörper als Schneidwerkzeuge – polykristallines kubisches Bornitrid PCBN. Seitdem wird PCBN aufgrund seiner hervorragenden Zerspanungsleistung in verschiedenen Bereichen der Zerspanung eingesetzt, insbesondere bei der Zerspanung von Werkstoffen mit hoher Härte und schwer zu bearbeitenden Materialien.
Was sind die Anwendungsbereiche von Bornitrid?
Bornitrid ist ein hocheffizienter wärmeleitender Füllstoff mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, Isolierleistung und chemischer Stabilität. Es ist weit verbreitet in Hochtemperatur-, Hochdruck-, Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Wärmeleitbereichen, wie z. B. in elektronischen Geräten, in der Luft- und Raumfahrt, in Fahrzeugen mit neuen Energien, in der chemischen Industrie und in anderen Branchen mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung.
Im Bereich der elektronischen Geräte kann es als Material für wärmeleitende Platten, wärmeleitende Pasten, wärmeleitende Gele, Heizkörper usw. verwendet werden, um die Temperatur elektronischer Geräte effektiv zu senken. Es kann in intelligenten Endgeräten wie Smartphones, Smartwatches, Laptops, Drohnen usw. verwendet werden, um deren Leistung zu stabilisieren und ihre Lebensdauer zu verlängern.
Im Bereich der Luft- und Raumfahrt kann es zur Herstellung von Hochtemperatur-Strukturmaterialien, wärmeleitenden Materialien, Wärmedämmschichten usw. verwendet werden und in Satelliten, Detektoren, Raumstationen usw. zum Einsatz kommen, um die Leistung und Sicherheit von Luft- und Raumfahrzeugen zu verbessern.
Im Bereich der neuen Energiefahrzeuge kann es die Anforderungen an die Wärmeableitung von Automobilsystemen wie Motoren, elektronischen Steuerungen und Batterien erfüllen und die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Automobilen verbessern.
Im Bereich der Chemieanlagen kann das Unternehmen Hochtemperaturreaktoren, Katalysatoren und Wärmeübertragungsanlagen herstellen, um die Effizienz und Sicherheit von Chemieanlagen zu verbessern.