Il nitruro di boro è un cristallo composto da atomi di azoto e boro, con formula molecolare BN, peso molecolare 24,81, composizione chimica 43,6% boro e 56,4% azoto, densità teorica 2,27g/cm3.
La polvere di nitruro di boro ha proprietà di scioltezza, lubrificazione, leggerezza, facilità di assorbimento dell’umidità, ecc. e il colore è bianco. I prodotti a base di nitruro di boro sono di colore bianco avorio.
Il nitruro di boro è stato scoperto per la prima volta nel laboratorio di Bellman più di 100 anni fa e il materiale è stato sviluppato su larga scala alla fine degli anni Cinquanta.
Il nitruro di boro (BN) è un nuovo tipo di materiale ceramico con prestazioni eccellenti e un grande potenziale di sviluppo. Comprende 5 isomeri: nitruro di boro esagonale (h-BN), nitruro di boro wurtzite (w-BN), nitruro di boro rombico (r-BN), nitruro di boro cubico (c-BN) e nitruro di boro ortorombico (o-BN). Attualmente, la ricerca sul nitruro di boro si concentra principalmente sulla sua fase esagonale (H-BN) e cubica (C-BN).
Le proprietà del nitruro di boro possono essere suddivise principalmente nei seguenti aspetti:
✔ In termini di proprietà meccaniche: presenta i vantaggi di non abrasività, bassa usura, sicurezza dimensionale, buona lubrificazione, resistenza al fuoco e facilità di lavorazione.
in termini di proprietà elettriche: presenta i vantaggi di una buona rigidità dielettrica, bassa costante dielettrica, bassa perdita ad alta frequenza, penetrazione delle microonde, buon isolamento elettrico, ecc.
in termini di proprietà termiche: presenta i vantaggi di un’elevata conducibilità termica, di un’alta capacità termica, di una bassa espansione termica, di una resistenza agli shock termici, di una lubrificazione ad alta temperatura e di una stabilità ad alta temperatura.
in termini di proprietà chimiche: presenta i vantaggi di atossicità, stabilità chimica, resistenza alla corrosione, resistenza all’ossidazione, bassa umidità, stabilità biologica e antiaderenza.
Nitruro di boro esagonale
Nitruro di boro esagonale (h-BN) è la forma più comunemente utilizzata di nitruro di boro. La struttura dell’h-BN è simile a quella della grafite, con una struttura esagonale a strati, costanti reticolari a=0,2504nm, c=0,6661nm, densità teorica 2,27g/cm3, punto di fusione 3000℃, consistenza morbida, forte lavorabilità e colore bianco, comunemente noto come “grafite bianca”.
Il nitruro di boro esagonale (h-BN) ha un eccellente isolamento elettrico, un’ottima stabilità chimica e ottime proprietà dielettriche.
Proprietà termiche del nitruro di boro esagonale: nessun punto di fusione evidente, sublimazione a 3000℃ in azoto 0,1MPA, punto di fusione a 3000℃ in gas inerte, resistenza al calore a 2000℃ in atmosfera neutra riducente, temperatura di utilizzo fino a 2800℃ in azoto e argon, scarsa stabilità in atmosfera di ossigeno, temperatura di utilizzo inferiore a 1000℃.
Il nitruro di boro esagonale è uno dei materiali termicamente conduttivi dei materiali ceramici, con una conducibilità termica dieci volte superiore a quella del quarzo e una conducibilità termica più elevata di 60W/(m-K) nella direzione perpendicolare all’asse c;
Basso coefficiente di espansione termica, equivalente al quarzo, è il più piccolo tra i materiali ceramici, con un coefficiente di espansione termica di 41*10-6m/Knella direzione dell’asse c e di 2,3*10-6m/Knella direzione dell’asse d, quindi ha una buona resistenza agli shock termici.
Proprietà meccaniche del nitruro di boro esagonale: Il coefficiente di attrito è pari a 0,16 e non aumenta alle alte temperature. Ha una resistenza alla temperatura superiore a quella del bisolfuro di molibdeno e della grafite. Può essere utilizzato fino a 900℃ in atmosfera ossidante e fino a 2000℃ nel vuoto. Le prestazioni di lubrificazione sono scarse a temperatura ambiente, pertanto viene spesso miscelato con fluoruro di grafite, grafite e bisolfuro di molibdeno come lubrificante per alte temperature.
Il nitruro di boro esagonale è un materiale morbido con una durezza Mohs di solo 2. Ha una buona lavorabilità e può essere tornito, fresato, piallato, forato, rettificato e tagliato con un’elevata precisione di lavorazione, per cui può essere trasformato in parti e prodotti di alta precisione con metodi di lavorazione meccanica generale.
Proprietà elettriche del nitruro di boro esagonale: Il nitruro di boro esagonale è un buon conduttore di calore e un tipico isolante elettrico. La conduttività a temperatura ambiente può raggiungere i 10^16~10^18Ω/cm e anche a 1000℃ la resistività è ancora di 1014~106Ω/cm. La costante dielettrica dell’h-BN è 3~5. La perdita dielettrica è (2~8)*10-4 e la resistenza alla rottura è doppia rispetto a quella dell’Al2O3, raggiungendo i 30~40kV/mm, quindi è un materiale ideale per l’isolamento ad alta frequenza, ad alta tensione e ad alta temperatura.
Proprietà chimiche del nitruro di boro esagonale: L’HBN ha un’eccellente stabilità chimica. Non reagisce con metalli generici, metalli delle terre rare, metalli preziosi, materiali semiconduttori, vetro, sali fusi, acidi inorganici e alcali. Non bagna né agisce sulla maggior parte dei metalli fusi, come acciaio, acciaio inossidabile, Al, Fe, Ge, Cu, Ni, Zn, ecc. Pertanto, può essere utilizzato come copertura protettiva per termocoppie ad alta temperatura, crogiolo per metallo fuso, recipiente per il trasporto di metallo liquido, tubo per il trasporto di metallo liquido, parti di pompe, stampo per acciaio fuso e materiale per l’isolamento elettrico ad alta temperatura.
Nitruro di boro cubico
Il nitruro di boro cubico (c-BN) è stato sintetizzato per la prima volta dalla General Electric (GE) negli Stati Uniti negli anni ’50 in condizioni di alta temperatura e alta pressione. La sua durezza è seconda solo a quella del diamante e di gran lunga superiore a quella di altri materiali, per cui questo e il diamante sono chiamati collettivamente materiali superduri.
I materiali superduri sono ampiamente utilizzati negli utensili per segare, molare, forare e tagliare. Il diamante si ossida facilmente alle alte temperature, soprattutto con gli elementi di ferro, e non è adatto alla lavorazione dei metalli ferrosi a base di ferro. Il nitruro di boro cubico ha una struttura cristallina simile al diamante e la sua durezza è leggermente inferiore a quella del diamante. Viene spesso utilizzato come materiale abrasivo e per utensili.
Nel 1957, R.H. Wintoff degli Stati Uniti ha sviluppato per la prima volta il nitruro di boro cubico, ma finora non è stato trovato nitruro di boro cubico naturale.
Le proprietà del nitruro di boro cubico includono principalmente un’elevata durezza e stabilità termica, e la sua microdurezza è seconda solo a quella del diamante artificiale.
la sua stabilità termica è migliore di quella del diamante artificiale e può mantenere proprietà meccaniche e durezza sufficientemente elevate anche a temperature elevate, oltre ad avere una buona durezza rossa;
ha una struttura stabile, un’elevata resistenza all’ossidazione, una buona stabilità chimica, soprattutto migliore di quella del diamante, e non reagisce chimicamente con gli elementi del gruppo del ferro a temperature fino a 1100~1300℃, per cui è particolarmente adatto alla lavorazione di materiali metallici ferrosi;
la conducibilità termica è inferiore a quella del diamante, ma superiore a quella del carburo cementato e ha una buona conducibilità termica;
elevata resistenza alla flessione;
come materiale per utensili da rettifica, ha una lunga durata e una buona resistenza all’usura.
Tuttavia, il nitruro di boro cubico a cristallo singolo ha una piccola dimensione dei grani, un’anisotropia e un piano di clivaggio facile da spaccare. È fragile e molto facile da spaccare.
il c-BN ha un’elevata durezza, inerzia chimica e stabilità termica alle alte temperature, per cui è ampiamente utilizzato come mola abrasiva c-BN nella lavorazione di rettifica.
Poiché il c-BN ha caratteristiche superiori ad altri materiali per utensili, fin dall’inizio si è cercato di applicarlo alla lavorazione di taglio, ma le particelle di c-BN a cristallo singolo sono piccole ed è difficile realizzare utensili; inoltre, la proprietà di sinterizzazione del c-BN è molto scarsa e rende difficile realizzare corpi sinterizzati di c-BN di dimensioni maggiori. Solo negli anni ’70 l’ex Unione Sovietica, la Cina, gli Stati Uniti, il Regno Unito e altri Paesi hanno sviluppato con successo corpi sinterizzati di c-BN come utensili da taglio – nitruro di boro cubico policristallino PCBN. Da allora, il PCBN è stato utilizzato in vari settori della lavorazione di taglio grazie alle sue prestazioni di taglio superiori, soprattutto nella lavorazione di materiali ad alta durezza e difficili da lavorare.
Quali sono i campi di acampi di applicazione del nitruro di boro?
Il nitruro di boro è un riempitivo termoconduttivo altamente efficiente, con eccellenti caratteristiche di conducibilità termica, isolamento e stabilità chimica. È ampiamente utilizzato nei settori della conduzione termica ad alta temperatura, ad alta pressione, ad alta velocità e ad alta precisione, come i dispositivi elettronici, il settore aerospaziale, i veicoli a nuova energia, le apparecchiature chimiche e altri settori con elevati requisiti di dissipazione del calore.
Nel campo dei dispositivi elettronici, può essere utilizzato in materiali come piastre termoconduttive, paste termoconduttive, gel termoconduttivi, radiatori, ecc. per ridurre efficacemente la temperatura dei dispositivi elettronici. Può essere utilizzato nei terminali dei dispositivi smart consumer, come smartphone, orologi intelligenti, computer portatili, droni, ecc. per stabilizzarne le prestazioni e aumentarne la durata.
Nel settore aerospaziale, può essere utilizzato per produrre materiali strutturali ad alta temperatura, materiali termoconduttivi, rivestimenti a barriera termica, ecc. e utilizzato in satelliti, rilevatori, stazioni spaziali, ecc. per migliorare le prestazioni e la sicurezza dei veicoli aerospaziali.
Nel campo dei veicoli a nuova energia, può soddisfare i requisiti di dissipazione del calore dei sistemi automobilistici, come motori, controlli elettronici e batterie, e migliorare le prestazioni e l’economia delle automobili.
Nel settore delle apparecchiature chimiche, può produrre reattori ad alta temperatura, catalizzatori e apparecchiature per il trasferimento di calore per migliorare l’efficienza e la sicurezza delle apparecchiature chimiche.