Le nitrure de bore est un cristal composé d’atomes d’azote et de bore, de formule moléculaire BN, poids moléculaire 24,81, composition chimique 43,6% de bore et 56,4% d’azote, densité théorique 2,27g/cm3.
La poudre de nitrure de bore a les propriétés de libre, de lubrification, de légèreté, de facilité d’absorption de l’humidité, etc., et la couleur est blanche. Les produits à base de nitrure de bore sont d’un 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 avec d’excellentes performances et 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, les recherches sur le nitrure de bore se concentrent principalement sur sa phase hexagonale (H-BN) et sa phase cubique (C-BN).
Les propriétés du nitrure de bore peuvent être principalement divisées en les aspects suivants :
✔En termes de propriétés mécaniques : il présente les avantages de la non-abrasivité, de la faible usure, de la sécurité dimensionnelle, du bon pouvoir lubrifiant, de la résistance au feu et de la 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 par 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 de la non-toxicité, de la stabilité chimique, de la résistance à la corrosion, de la résistance à l’oxydation, de la faible humidité, de la stabilité biologique et des propriétés antiadhésives.
Nitrure de bore hexagonal
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est la forme la plus couramment utilisée de nitrure de bore. La structure du h-BN est similaire à celle du graphite, avec une structure en couches hexagonales, des constantes de réseau a = 0,2504 nm, c = 0,6661 nm, une densité théorique de 2,27 g / cm3, un point de fusion de 3000 °C, une texture douce, une forte aptitude au traitement et une couleur blanche, communément appelée « graphite blanc ».
Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) a 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°C dans l’azote 0,1MPA, point de fusion 3000°C dans un gaz inerte, résistance à la chaleur jusqu’à 2000°C dans une atmosphère réductrice neutre, température d’utilisation jusqu’à 2800°C dans l’azote et l’argon, mauvaise stabilité dans l’atmosphère d’oxygène, température d’utilisation inférieure à 1000°C.
Le nitrure de bore hexagonal est l’un des matériaux thermoconducteurs des 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 ;
Le faible coefficient de dilatation thermique, équivalent au quartz, est le plus petit parmi les céramiques, avec un coefficient de dilatation thermique de 41 * 10-6m / K dans la direction de l’axe c et de 2,3 * 10-6m / K dans la direction de l’axe d, de sorte qu’il a 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 des températures élevées. Il a une résistance à la température plus élevée que le disulfure de molybdène et le graphite. Il peut être utilisé jusqu’à 900°C dans une atmosphère oxydante et jusqu’à 2000°C sous vide. Les performances de lubrification sont médiocres 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 souple avec une dureté de Mohs de seulement 2. Il a une bonne usinabilité et peut être tourné, fraisé, raboté, percé, meulé 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 ^ 18 Ω / cm, et même à 1000 °C, la résistivité est toujours de 1014 ~ 106 Ω / cm. La constante diélectrique de h-BN est de 3 ~ 5. La perte diélectrique est de (2 ~ 8) * 10-4, et la résistance à la rupture est le double de celle de Al2O3, atteignant 30 ~ 40 kV / mm, il s’agit donc d’une isolation haute fréquence idéale, d’une isolation haute tension et d’un matériau isolant à haute température.
Propriétés chimiques du nitrure de bore hexagonal : HBN a une excellente stabilité chimique. Il ne réagit pas avec les métaux généraux, 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, l’Al, le Fe, le Ge, le Cu, le Ni, le Zn, etc. Par conséquent, il peut être utilisé comme couvercle de protection de thermocouple à haute température, creuset pour le métal en fusion, récipient pour le transport de métal liquide, tuyau pour le transport de métal liquide, pièces de pompe, moule pour l’acier moulé et 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 n’est surpassée que par celle du diamant et bien supérieure à celle des autres matériaux, de sorte qu’il et le diamant sont collectivement appelés matériaux superdurs.
Les matériaux superdurs sont largement utilisés dans les outils de sciage, les outils de meulage, les outils de forage et les outils de coupe. Le diamant s’oxyde facilement à haute température, en particulier avec des éléments en fer, et ne convient pas au traitement des métaux ferreux à base de fer. Le nitrure de bore cubique a une structure cristalline similaire à celle du diamant et sa dureté est légèrement inférieure à celle du diamant. Il est souvent utilisé comme matériau abrasif et d’outillage.
En 1957, R.H. Wintoff des États-Unis a développé pour la première fois le nitrure de bore cubique, mais le nitrure de bore cubique naturel n’a pas été trouvé jusqu’à présent.
Les propriétés du nitrure de bore cubique comprennent principalement une dureté élevée et une stabilité thermique, et sa microdureté n’est surpassée que par le diamant artificiel.
✔ Sa stabilité thermique est meilleure que celle du diamant artificiel, et il peut encore maintenir des propriétés mécaniques et une dureté suffisamment élevées à des températures élevées, et a une bonne dureté rouge ;
✔ Il a une structure stable, une résistance élevée à l’oxydation, une bonne stabilité chimique, en particulier meilleure que le diamant, et ne réagit pas chimiquement avec les éléments du groupe du fer à des températures aussi élevées que 1100 ~ 1300 °C, il est donc particulièrement adapté au traitement des matériaux métalliques ferreux ;
✔ La conductivité thermique est plus petite que celle du diamant, mais supérieure à celle du carbure cémenté, et a une bonne conductivité thermique ;
✔ Haute résistance à la flexion ;
✔ En tant que matériau d’outil de meulage, il a une longue durée de vie et une bonne résistance à l’usure.
Cependant, le nitrure de bore cubique monocristallin a une petite taille de grain, une anisotropie et un plan de clivage facile à diviser. Il est cassant et très facile à fendre.
c-BN a une dureté élevée, une inertie chimique et une stabilité thermique à haute température, il est donc largement utilisé comme meule abrasive c-BN dans le traitement du meulage.
Parce que le c-BN a des caractéristiques supérieures à d’autres matériaux d’outils, les gens ont essayé de l’appliquer au traitement de 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 c-BN plus grands. 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 c-BN comme outils de coupe – nitrure de bore cubique polycristallin PCBN. Depuis lors, le PCBN a été utilisé dans divers domaines de l’usinage de la découpe grâce à ses performances de coupe supérieures, en particulier dans le traitement de la découpe de matériaux de haute dureté et de matériaux difficiles à traiter.
Quels sont leschamps d’application du nitrure de bore ?
Le nitrure de bore est une charge conductrice thermique très efficace avec une excellente conductivité thermique, des performances d’isolation et une stabilité chimique. Il est largement utilisé dans les domaines conducteurs thermiques à haute température, haute pression, à grande vitesse et de 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 thermique.
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. pour stabiliser leurs performances et 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 thermiques, des revêtements de barrière thermique, etc., et 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, il peut fabriquer des réacteurs à haute température, des catalyseurs et des équipements de transfert de chaleur pour améliorer l’efficacité et la sécurité des équipements chimiques.
