El nitruro de boro es un cristal compuesto por átomos de nitrógeno y boro, con fórmula molecular BN, peso molecular 24,81, composición química 43,6% boro y 56,4% nitrógeno, densidad teórica 2,27g/cm3.
El polvo de nitruro de boro tiene las propiedades de ser suelto, lubricante, ligero, fácil de absorber la 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 pueden dividirse principalmente en los siguientes aspectos:
✔En términos de propiedades mecánicas: tiene las ventajas de no ser abrasivo, 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 la no toxicidad, estabilidad química, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, baja humedad, estabilidad biológica y propiedades antiadherentes.
Nitruro de boro hexagonal
Nitruro de boro hexagonal (h-BN) es la forma de nitruro de boro más utilizada. La estructura del h-BN es similar a la del grafito, con una estructura hexagonal en capas, constantes de red a=0,2504nm, c=0,6661nm, densidad teórica de 2,27 g/cm3, punto de fusión de 3000℃, textura suave, gran procesabilidad y color blanco, conocido comúnmente como “grafito blanco”.
El nitruro de boro hexagonal (h-BN) posee un excelente aislamiento eléctrico, una excelente estabilidad química y excelentes propiedades dieléctricas.
Propiedades térmicas del nitruro de boro hexagonal: sin punto de fusión evidente, sublimación a 3000℃ en nitrógeno 0,1MPA, punto de fusión 3000℃ en gas inerte, resistencia al calor hasta 2000℃ en atmósfera reductora neutra, temperatura de uso hasta 2800℃ en nitrógeno y argón, poca estabilidad en atmósfera de oxígeno, temperatura de uso inferior a 1000℃.
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 de 60W/(m-K) en la dirección perpendicular al eje c;
Bajo coeficiente de expansión térmica, equivalente al del cuarzo, es el menor entre los materiales cerámicos, con un coeficiente de expansión térmica de 41*10-6m/Ken la dirección del eje c y de 2,3*10-6m/Ken la dirección del eje d, por lo que tiene una 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 mayor resistencia a la temperatura que el disulfuro de molibdeno y el grafito. Puede utilizarse hasta 900℃ en atmósfera oxidante y hasta 2000℃ en vacío. El rendimiento de lubricación es pobre a temperatura ambiente, por lo que a menudo se mezcla con fluoruro de grafito, grafito y disulfuro de molibdeno como lubricante de alta temperatura.
El nitruro de boro hexagonal es un material blando con una dureza Mohs de sólo 2. Tiene buena maquinabilidad y puede tornearse, fresarse, cepillarse, taladrarse, rectificarse y cortarse con gran precisión de mecanizado, por lo que puede transformarse 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 los 10^16~10^18Ω/cm, e incluso a 1000℃, la resistividad sigue siendo de 1014~106Ω/cm. La constante dieléctrica del h-BN es de 3~5. La pérdida dieléctrica es de (2~8)*10-4, y la resistencia a la ruptura es el doble que la del Al2O3, alcanzando los 30~40kV/mm, por lo que es un material aislante ideal para alta frecuencia, alta tensión y alta temperatura.
Propiedades químicas del nitruro de boro hexagonal: El HBN tiene una excelente estabilidad química. No reacciona con metales en general, metales de tierras raras, metales preciosos, materiales semiconductores, vidrio, sales fundidas, ácidos inorgánicos y álcalis. No moja ni actúa sobre la mayoría de los metales fundidos, como acero, acero inoxidable, Al, Fe, Ge, Cu, Ni, Zn, etc. Por lo tanto, puede utilizarse como cubierta protectora de termopares de alta temperatura, crisol para metal fundido, recipiente para transportar metal líquido, tubería para transportar metal líquido, piezas de bombas, molde para acero fundido y material aislante 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 Estados Unidos, en la década de 1950, en condiciones de alta temperatura y alta presión. Su dureza es sólo superada por la del diamante y muy superior a la de otros materiales, por lo que, junto con el diamante, se denominan materiales superduros.
Los materiales superduros se utilizan ampliamente en herramientas de aserrado, herramientas de rectificado, 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 a la del diamante, y su dureza es ligeramente inferior a la del diamante. Se utiliza a menudo como material abrasivo y para herramientas.
En 1957, R.H. Wintoff, de Estados Unidos, desarrolló por primera vez el nitruro de boro cúbico, pero hasta la fecha no se ha encontrado nitruro de boro cúbico natural.
Las propiedades del nitruro de boro cúbico incluyen principalmente una gran dureza y estabilidad térmica, y su microdureza sólo es superada por la del 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 elementos del grupo del hierro a temperaturas tan altas como 1100~1300℃, por lo que es especialmente adecuado para procesar materiales de metales 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 para herramientas de rectificado, 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 clivaje fácil de partir. Es quebradizo y muy fácil de escindir.
el c-BN tiene una gran dureza, inercia química y estabilidad térmica a altas temperaturas, por lo que se utiliza ampliamente como muela abrasiva de c-BN en el proceso de rectificado.
Dado que el c-BN tiene características superiores a las de otros materiales para herramientas, desde el principio se ha intentado aplicarlo al procesamiento de corte, pero las partículas de c-BN monocristalino son pequeñas y resulta 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 de mayor tamaño. No fue hasta la década de 1970 cuando la antigua Unión Soviética, China, Estados Unidos, el Reino Unido y otros países desarrollaron con éxito cuerpos sinterizados de c-BN como herramientas de corte: el nitruro de boro cúbico policristalino PCBN. Desde entonces, el PCBN se ha utilizado en diversos 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 los ambitos de aplicación del nitruro de boro?
El nitruro de boro es una masilla termoconductora muy eficaz con una excelente conductividad térmica, capacidad de aislamiento y estabilidad química. Se utiliza ampliamente en campos de conducción térmica de alta temperatura, alta presión, alta velocidad y alta precisión, como los dispositivos electrónicos, la industria aeroespacial, los vehículos de nuevas energías, los equipos químicos y otras industrias con elevados requisitos de disipación térmica.
En el campo de los dispositivos electrónicos, puede utilizarse en materiales como placas conductoras térmicas, pastas conductoras térmicas, geles conductores térmicos, radiadores, etc., para reducir eficazmente la temperatura de los dispositivos electrónicos. Puede utilizarse en terminales de dispositivos inteligentes de consumo, como teléfonos inteligentes, relojes inteligentes, ordenadores portátiles, drones, etc., para estabilizar su rendimiento y aumentar su vida útil.
En el campo aeroespacial, puede utilizarse para fabricar materiales estructurales de alta temperatura, materiales conductores térmicos, revestimientos de barrera térmica, etc., y utilizarse 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 satisfacer los requisitos de disipación de calor de sistemas de automoción 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.