Le nitrure de bore est un cristal composé d’atomes d’azote et de bore, dont la formule moléculaire est BN, le poids moléculaire 24,81, la composition chimique 43,6% de bore et 56,4% d’azote, la densité théorique 2,27g/cm3.
La poudre de nitrure de bore a les propriétés suivantes : lâche, lubrifiante, légère, facile à absorber l’humidité, etc. et sa couleur est blanche. Les produits à base de nitrure de bore sont de couleur blanc ivoire.
Le nitrure de bore a été découvert pour la première fois dans le laboratoire de Bellman il y a plus de 100 ans, et le matériau a été développé à grande échelle à la fin des années 1950.
Le nitrure de bore (BN) est un nouveau type de matériau céramique doté d’excellentes performances et d’un grand potentiel de développement. Il comprend 5 isomères, à savoir le nitrure de bore hexagonal (h-BN), le nitrure de bore wurtzite (w-BN), le nitrure de bore rhombique (r-BN), le nitrure de bore cubique (c-BN) et le nitrure de bore orthorhombique (o-BN). À l’heure actuelle, la recherche sur le nitrure de bore se concentre principalement sur sa phase hexagonale (H-BN) et sa phase cubique (C-BN).
Les propriétés du nitrure de bore peuvent être principalement divisées selon les aspects suivants :
✔En termes de propriétés mécaniques : il présente les avantages suivants : non-abrasivité, faible usure, sécurité dimensionnelle, bonne lubrification, résistance au feu et facilité de traitement.
✔En termes de propriétés électriques : il présente les avantages d’une bonne rigidité diélectrique, d’une faible constante diélectrique, d’une faible perte à haute fréquence, d’une pénétration des micro-ondes, d’une bonne isolation électrique, etc.
✔En termes de propriétés thermiques : il présente les avantages d’une conductivité thermique élevée, d’une capacité thermique élevée, d’une faible dilatation thermique, d’une résistance aux chocs thermiques, d’un pouvoir lubrifiant à haute température et d’une stabilité à haute température.
✔En termes de propriétés chimiques : il présente les avantages suivants : non-toxicité, stabilité chimique, résistance à la corrosion, résistance à l’oxydation, faible taux d’humidité, stabilité biologique et propriétés anti-adhérentes.
Nitrure de bore hexagonal
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est la forme de nitrure de bore la plus couramment utilisée. La structure du h-BN est similaire à celle du graphite, avec une structure hexagonale en couches, des constantes de réseau a=0,2504nm, c=0,6661nm, une densité théorique de 2,27g/cm3, un point de fusion de 3000℃, une texture douce, une forte capacité de traitement et une couleur blanche, communément appelée “graphite blanc”.
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) possède une excellente isolation électrique, une excellente stabilité chimique et d’excellentes propriétés diélectriques.
Propriétés thermiques du nitrure de bore hexagonal : pas de point de fusion évident, sublimation à 3000℃ dans 0,1MPA azote, point de fusion 3000℃ dans un gaz inerte, résistance à la chaleur à 2000℃ dans une atmosphère réductrice neutre, température d’utilisation jusqu’à 2800℃ dans l’azote et l’argon, mauvaise stabilité dans l’atmosphère d’oxygène, température d’utilisation inférieure à 1000℃.
Le nitrure de bore hexagonal est l’un des matériaux thermoconducteurs dans les matériaux céramiques, avec une conductivité thermique dix fois supérieure à celle du quartz, et une conductivité thermique plus élevée de 60W/(m-K) dans la direction perpendiculaire à l’axe c ;
Faible coefficient de dilatation thermique, équivalent à celui du quartz, le plus faible parmi les céramiques, avec un coefficient de dilatation thermique de 41*10-6m/Kdans la direction de l’axe c et de 2,3*10-6m/Kdans la direction de l’axe d, ce qui lui confère une bonne résistance aux chocs thermiques.
Propriétés mécaniques du nitrure de bore hexagonal : Le coefficient de frottement est aussi bas que 0,16 et n’augmente pas à haute température. Sa résistance à la température est supérieure à celle du disulfure de molybdène et du graphite. Il peut être utilisé jusqu’à 900℃ dans une atmosphère oxydante et jusqu’à 2000℃ dans le vide. La performance de lubrification est faible à température ambiante, il est donc souvent mélangé avec du fluorure de graphite, du graphite et du disulfure de molybdène comme lubrifiant à haute température.
Le nitrure de bore hexagonal est un matériau mou dont la dureté de Mohs n’est que de 2. Il présente une bonne usinabilité et peut être tourné, fraisé, raboté, percé, rectifié et coupé avec une grande précision d’usinage, de sorte qu’il peut être transformé en pièces et produits de haute précision par des méthodes de traitement mécanique générales.
Propriétés électriques du nitrure de bore hexagonal : Le nitrure de bore hexagonal est un bon conducteur de chaleur et un isolant électrique typique. La conductivité à température ambiante peut atteindre 10^16~10^18Ω/cm, et même à 1000℃, la résistivité est encore de 1014~106Ω/cm. La constante diélectrique du h-BN est de 3~5. La perte diélectrique est de (2~8)*10-4, et la résistance au claquage est deux fois supérieure à celle de l’Al2O3, atteignant 30~40kV/mm, ce qui en fait un matériau d’isolation idéal pour les hautes fréquences, les hautes tensions et les hautes températures.
Propriétés chimiques du nitrure de bore hexagonal : Le HBN présente une excellente stabilité chimique. Il ne réagit pas avec les métaux courants, les métaux rares, les métaux précieux, les matériaux semi-conducteurs, le verre, les sels fondus, les acides inorganiques et les alcalis. Il ne mouille pas et n’agit pas sur la plupart des métaux fondus, tels que l’acier, l’acier inoxydable, Al, Fe, Ge, Cu, Ni, Zn, etc. Il peut donc être utilisé comme couvercle de protection pour thermocouple à haute température, comme creuset pour métal en fusion, comme récipient pour le transport de métal liquide, comme tuyau pour le transport de métal liquide, comme pièces de pompe, comme moule pour acier moulé et comme matériau d’isolation électrique à haute température.
Nitrure de bore cubique
Le nitrure de bore cubique (c-BN) a été synthétisé pour la première fois par General Electric (GE) aux États-Unis dans les années 1950, dans des conditions de température et de pression élevées. Sa dureté est la deuxième après celle du diamant et bien plus élevée que celle d’autres matériaux, c’est pourquoi on l’appelle collectivement avec le diamant “matériaux superdurs”.
Les matériaux superdurs sont largement utilisés dans les outils de sciage, de meulage, de forage et de coupe. Le diamant s’oxyde facilement à haute température, en particulier avec les éléments ferreux, et n’est pas adapté au traitement des métaux ferreux à base de fer. Le nitrure de bore cubique a une structure cristalline similaire à celle du diamant, mais sa dureté est légèrement inférieure à celle du diamant. Il est souvent utilisé comme abrasif et comme matériau d’outillage.
En 1957, R.H. Wintoff, des États-Unis, a été le premier à mettre au point le nitrure de bore cubique, mais le nitrure de bore cubique naturel n’a pas encore été découvert.
Les propriétés du nitrure de bore cubique comprennent principalement une dureté et une stabilité thermique élevées, et sa microdureté n’a rien à envier à celle du diamant artificiel.
sa stabilité thermique est meilleure que celle du diamant artificiel, et il peut encore conserver des propriétés mécaniques et une dureté suffisamment élevées à des températures élevées, ainsi qu’une bonne dureté rouge ;
✔ Il a une structure stable, une résistance élevée à l’oxydation, une bonne stabilité chimique, particulièrement meilleure que celle du diamant, et ne réagit pas chimiquement avec les éléments du groupe du fer à des températures aussi élevées que 1100~1300℃, de sorte qu’il est particulièrement adapté au traitement des matériaux métalliques ferreux ;
✔ La conductivité thermique est inférieure à celle du diamant, mais supérieure à celle du carbure cémenté, et présente une bonne conductivité thermique ;
✔ Haute résistance à la flexion ;
✔ En tant que matériau pour outils de meulage, il a une longue durée de vie et une bonne résistance à l’usure.
Cependant, le nitrure de bore cubique monocristallin présente une petite taille de grain, une anisotropie et un plan de clivage facile à fendre. Il est fragile et très facile à cliver.
le c-BN présente une dureté élevée, une inertie chimique et une stabilité thermique à haute température, ce qui explique qu’il soit largement utilisé comme meule abrasive c-BN dans les processus de meulage.
Les caractéristiques du c-BN étant supérieures à celles d’autres matériaux d’outillage, on a essayé de l’appliquer à la coupe dès le début, mais les particules de c-BN monocristallin sont petites et il est difficile de fabriquer des outils, et la propriété de frittage du c-BN est très médiocre, ce qui rend difficile la fabrication de corps frittés en c-BN de plus grande taille. Ce n’est que dans les années 1970 que l’ex-Union soviétique, la Chine, les États-Unis, le Royaume-Uni et d’autres pays ont réussi à développer des corps frittés en c-BN comme outils de coupe – le nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN). Depuis lors, le PCBN a été utilisé dans divers domaines du traitement de coupe grâce à ses performances de coupe supérieures, en particulier dans le traitement de coupe de matériaux à dureté élevée et de matériaux difficiles à traiter.
Quels sont les domaines d'adomaines d'application du nitrure de bore?
Le nitrure de bore est une charge thermoconductrice très efficace, dotée d’une excellente conductivité thermique, d’excellentes performances d’isolation et d’une grande stabilité chimique. Il est largement utilisé dans les domaines de la conductivité thermique à haute température, à haute pression, à grande vitesse et à haute précision, tels que les appareils électroniques, l’aérospatiale, les véhicules à énergie nouvelle, les équipements chimiques et d’autres industries ayant des exigences élevées en matière de dissipation de la chaleur.
Dans le domaine des appareils électroniques, il peut être utilisé comme matériaux tels que les plaques thermoconductrices, les pâtes thermoconductrices, les gels thermoconducteurs, les radiateurs, etc. pour réduire efficacement la température des appareils électroniques. Il peut être utilisé dans les terminaux d’appareils intelligents grand public tels que les téléphones intelligents, les montres intelligentes, les ordinateurs portables, les drones, etc. afin de stabiliser leurs performances et d’augmenter leur durée de vie.
Dans le domaine de l’aérospatiale, il peut être utilisé pour fabriquer des matériaux structurels à haute température, des matériaux conducteurs de chaleur, des revêtements à barrière thermique, etc., et être utilisé dans les satellites, les détecteurs, les stations spatiales, etc. pour améliorer les performances et la sécurité des véhicules aérospatiaux.
Dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle, il peut répondre aux exigences de dissipation thermique des systèmes automobiles tels que les moteurs, les commandes électroniques et les batteries, et améliorer les performances et l’économie des automobiles.
Dans le domaine des équipements chimiques, elle peut fabriquer des réacteurs à haute température, des catalyseurs et des équipements de transfert de chaleur afin d’améliorer l’efficacité et la sécurité des équipements chimiques.