El nitruro de boro es un cristal compuesto de nitrógeno y átomos de boro, con la fórmula molecular BN, peso molecular 24,81, composición química 43,6% de boro y 56,4% de nitrógeno, densidad teórica 2,27 g / cm3.
El polvo de nitruro de boro tiene las propiedades de suelto, lubricación, liviano, fácil de absorber humedad, etc., y el color es blanco. Los productos de nitruro de boro son de color blanco marfil.
El nitruro de boro se descubrió por primera vez en el laboratorio de Bellman hace más de 100 años, y el material se desarrolló a gran escala a finales de la década de 1950.
El nitruro de boro (BN) es un nuevo tipo de material cerámico con excelentes prestaciones y un gran potencial de desarrollo. Incluye 5 isómeros, a saber, nitruro de boro hexagonal (h-BN), nitruro de boro wurtzita (w-BN), nitruro de boro rómbico (r-BN), nitruro de boro cúbico (c-BN) y nitruro de boro ortorrómbico (o-BN). En la actualidad, la investigación sobre el nitruro de boro se centra principalmente en su fase hexagonal (H-BN) y cúbica (C-BN).
Las propiedades del nitruro de boro se pueden dividir principalmente en los siguientes aspectos:
✔En términos de propiedades mecánicas: tiene las ventajas de no abrasividad, bajo desgaste, seguridad dimensional, buena lubricidad, resistencia al fuego y fácil procesamiento.
✔En términos de propiedades eléctricas: tiene las ventajas de buena rigidez dieléctrica, baja constante dieléctrica, baja pérdida a alta frecuencia, penetración de microondas, buen aislamiento eléctrico, etc.
✔En términos de propiedades térmicas: tiene las ventajas de alta conductividad térmica, alta capacidad calorífica, baja expansión térmica, resistencia al choque térmico, lubricidad a alta temperatura y estabilidad a alta temperatura.
✔En términos de propiedades químicas: tiene las ventajas de no toxicidad, estabilidad química, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, baja humedad, estabilidad biológica y propiedades antiadherentes.
Nitruro de boro hexagonal
El nitruro de boro hexagonal (h-BN) es la forma más utilizada de nitruro de boro. La estructura de h-BN es similar a la del grafito, con una estructura hexagonal en capas, constantes de red a = 0.2504 nm, c = 0.6661 nm, densidad teórica 2.27 g / cm3, punto de fusión 3000 °C, textura suave, fuerte procesabilidad y color blanco, comúnmente conocido como “grafito blanco”.
El nitruro de boro hexagonal (h-BN) tiene un excelente aislamiento eléctrico, una excelente estabilidad química y excelentes propiedades dieléctricas.
Propiedades térmicas del nitruro de boro hexagonal: sin punto de fusión obvio, sublimación a 3000 °C en nitrógeno de 0,1 MPA, punto de fusión de 3000 °C en gas inerte, resistencia al calor hasta 2000 °C en atmósfera reductora neutra, temperatura de uso de hasta 2800 °C en nitrógeno y argón, poca estabilidad en atmósfera de oxígeno, temperatura de uso inferior a 1000 °C.
El nitruro de boro hexagonal es uno de los materiales conductores térmicos de los materiales cerámicos, con una conductividad térmica diez veces superior a la del cuarzo y una conductividad térmica superior a 60W/(m·K) en la dirección perpendicular al eje c;
El bajo coeficiente de expansión térmica, equivalente al cuarzo, es el más pequeño entre las cerámicas, con un coeficiente de expansión térmica de 41 * 10-6m / K en la dirección del eje c y 2.3 * 10-6m / K en la dirección del eje d, por lo que tiene buena resistencia al choque térmico.
Propiedades mecánicas del nitruro de boro hexagonal: El coeficiente de fricción es tan bajo como 0,16 y no aumenta a altas temperaturas. Tiene una mayor resistencia a la temperatura que el disulfuro de molibdeno y el grafito. Se puede utilizar hasta 900 °C en atmósfera oxidante y hasta 2000 °C en vacío. El rendimiento de la lubricación es pobre a temperatura ambiente, por lo que a menudo se mezcla con fluoruro de grafito, grafito y disulfuro de molibdeno como lubricante a alta temperatura.
El nitruro de boro hexagonal es un material blando con una dureza de Mohs de solo 2. Tiene buena maquinabilidad y se puede tornear, fresar, cepillar, perforar, rectificar y cortar con alta precisión de mecanizado, por lo que se puede procesar en piezas y productos de alta precisión mediante métodos generales de procesamiento mecánico.
Propiedades eléctricas del nitruro de boro hexagonal: El nitruro de boro hexagonal es un buen conductor del calor y un aislante eléctrico típico. La conductividad a temperatura ambiente puede alcanzar 10 ^ 16 ~ 10 ^ 18Ω / cm, e incluso a 1000 °C, la resistividad sigue siendo de 1014 ~ 106Ω / cm. La constante dieléctrica de h-BN es 3 ~ 5. La pérdida dieléctrica es (2 ~ 8) * 10-4, y la resistencia a la descomposición es el doble que la del Al2O3, alcanzando los 30 ~ 40 kV / mm, por lo que es un material ideal de aislamiento de alta frecuencia, aislamiento de alto voltaje y alta temperatura.
Propiedades químicas del nitruro de boro hexagonal: El HBN tiene una excelente estabilidad química. No reacciona con metales generales, metales de tierras raras, metales preciosos, materiales semiconductores, vidrio, sales fundidas, ácidos inorgánicos y álcalis. No humedece ni actúa sobre la mayoría de los metales fundidos, como el acero, el acero inoxidable, el Al, Fe, Ge, Cu, Ni, Zn, etc. Por lo tanto, se puede utilizar como una cubierta protectora de termopar de alta temperatura, un crisol para metal fundido, un recipiente para transportar metal líquido, una tubería para transportar metal líquido, piezas de bombas, un molde para acero fundido y un material de aislamiento eléctrico de alta temperatura.
Nitruro de boro cúbico
El nitruro de boro cúbico (c-BN) fue sintetizado por primera vez por General Electric (GE) en los Estados Unidos en la década de 1950 en condiciones de alta temperatura y alta presión. Su dureza es solo superada por el diamante y mucho más alta que la de otros materiales, por lo que junto con el diamante se denominan colectivamente materiales superduros.
Los materiales superduros son ampliamente utilizados en herramientas de aserrado, herramientas de esmerilado, herramientas de perforación y herramientas de corte. El diamante se oxida fácilmente a altas temperaturas, especialmente con elementos de hierro, y no es adecuado para el procesamiento de metales ferrosos a base de hierro. El nitruro de boro cúbico tiene una estructura cristalina similar al diamante y su dureza es ligeramente inferior a la del diamante. A menudo se utiliza como material abrasivo y de herramientas.
En 1957, R.H. Wintoff de los Estados Unidos desarrolló por primera vez el nitruro de boro cúbico, pero hasta ahora no se ha encontrado nitruro de boro cúbico natural.
Las propiedades del nitruro de boro cúbico incluyen principalmente alta dureza y estabilidad térmica, y su microdureza solo es superada por el diamante artificial.
Su estabilidad térmica es mejor que la del diamante artificial, y aún puede mantener propiedades mecánicas y dureza suficientemente altas a altas temperaturas, y tiene buena dureza roja;
Tiene una estructura estable, alta resistencia a la oxidación, buena estabilidad química, especialmente mejor que el diamante, y no reacciona químicamente con los elementos del grupo del hierro a temperaturas tan altas como 1100 ~ 1300 °C, por lo que es particularmente adecuado para procesar materiales metálicos ferrosos;
La conductividad térmica es menor que la del diamante, pero mayor que la del carburo cementado, y tiene buena conductividad térmica;
Alta resistencia a la flexión;
Como material de herramienta de molienda, tiene una larga vida útil y buena resistencia al desgaste.
Sin embargo, el nitruro de boro cúbico monocristalino tiene un tamaño de grano pequeño, anisotropía y un plano de escisión que es fácil de dividir. Es frágil y muy fácil de cortar.
c-BN tiene alta dureza, inercia química y estabilidad térmica a altas temperaturas, por lo que es ampliamente utilizado como muela abrasiva c-BN en el procesamiento de molienda.
Debido a que el c-BN tiene características superiores a otros materiales para herramientas, la gente ha intentado aplicarlo al procesamiento de corte desde el principio, pero las partículas de c-BN monocristalino son pequeñas y es difícil fabricar herramientas, y la propiedad de sinterización del c-BN es muy pobre, lo que dificulta la fabricación de cuerpos sinterizados de c-BN más grandes.
No fue hasta la década de 1970 que la antigua Unión Soviética, China, Estados Unidos, el Reino Unido y otros países desarrollaron con éxito cuerpos sinterizados c-BN como herramientas de corte: nitruro de boro cúbico policristalino PCBN. Desde entonces, PCBN se ha utilizado en varios campos del procesamiento de corte con su rendimiento de corte superior, especialmente en el procesamiento de corte de materiales de alta dureza y materiales difíciles de procesar.
Cuáles son loscampos de aplicación del nitruro de boro?
El nitruro de boro es un relleno conductor térmico altamente eficiente con excelente conductividad térmica, rendimiento de aislamiento y estabilidad química. Es ampliamente utilizado en campos conductores térmicos de alta temperatura, alta presión, alta velocidad y alta precisión, como dispositivos electrónicos, aeroespacial, vehículos de nueva energía, equipos químicos y otras industrias con altos requisitos de disipación de calor.
En el campo de los dispositivos electrónicos, se puede utilizar como materiales como placas conductoras térmicas, pastas conductoras térmicas, geles conductores térmicos, radiadores, etc., para reducir eficazmente la temperatura de los dispositivos electrónicos. Se puede utilizar en terminales de dispositivos inteligentes de consumo, como teléfonos inteligentes, relojes inteligentes, computadoras portátiles, drones, etc. para estabilizar su rendimiento y aumentar su vida útil.
En el campo de la industria aeroespacial, se puede utilizar para fabricar materiales estructurales de alta temperatura, materiales conductores térmicos, recubrimientos de barrera térmica, etc., y se puede utilizar en satélites, detectores, estaciones espaciales, etc. para mejorar el rendimiento y la seguridad de los vehículos aeroespaciales.
En el campo de los vehículos de nueva energía, puede cumplir con los requisitos de disipación de calor de los sistemas automotrices, como motores, controles electrónicos y baterías, y mejorar el rendimiento y la economía de los automóviles.
En el campo de los equipos químicos, puede fabricar reactores de alta temperatura, catalizadores y equipos de transferencia de calor para mejorar la eficiencia y la seguridad de los equipos químicos.
