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 2,27 g/cm3.
La polvere di nitruro di boro ha le proprietà di sciolta, lubrificazione, leggerezza, facile da assorbire l’umidità, ecc. E il colore è bianco. I prodotti in 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 ’50.
Il nitruro di boro (BN) è un nuovo tipo di materiale ceramico con prestazioni eccellenti e un grande potenziale di sviluppo. Comprende 5 isomeri, vale a dire 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 sulla fase cubica (C-BN).
Le proprietà del nitruro di boro possono essere principalmente suddivise 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 a microonde, buon isolamento elettrico, ecc.
✔In termini di proprietà termiche: presenta i vantaggi di un’elevata conduttività termica, elevata capacità termica, bassa dilatazione termica, resistenza agli shock termici, lubrificazione ad alta temperatura e stabilità alle alte temperature.
✔In termini di proprietà chimiche: presenta i vantaggi di atossicità, stabilità chimica, resistenza alla corrosione, resistenza all’ossidazione, bassa umidità, stabilità biologica e proprietà antiaderenti.
Nitruro di boro esagonale
Il nitruro di boro esagonale (h-BN) è la forma più comunemente usata di nitruro di boro. La struttura dell’h-BN è simile a quella della grafite, con una struttura a strati esagonali, costanti reticolari a=0,2504nm, c=0,6661nm, densità teorica 2,27 g/cm3, punto di fusione 3000°C, 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’eccellente stabilità chimica ed eccellenti proprietà dielettriche.
Proprietà termiche del nitruro di boro esagonale: nessun punto di fusione evidente, sublimazione a 3000 °C in azoto 0,1 MPA, punto di fusione 3000 °C in gas inerte, resistenza al calore fino a 2000 °C in atmosfera riducente neutra, temperatura di utilizzo fino a 2800 °C in azoto e argon, scarsa stabilità in atmosfera di ossigeno, temperatura di utilizzo inferiore a 1000 °C.
Il nitruro di boro esagonale è uno dei materiali termicamente conduttivi nei materiali ceramici, con una conducibilità termica dieci volte superiore a quella del quarzo e una conducibilità termica più elevata di 60 W/(m·K) nella direzione perpendicolare all’asse c;
Il basso coefficiente di dilatazione termica, equivalente al quarzo, è il più piccolo tra le ceramiche, con un coefficiente di dilatazione termica di 41*10-6m/K nella direzione dell’asse c e 2,3*10-6m/K nella direzione dell’asse d, quindi ha una buona resistenza agli shock termici.
Proprietà meccaniche del nitruro di boro esagonale: Il coefficiente di attrito è di soli 0,16 e non aumenta alle alte temperature. Ha una resistenza alla temperatura maggiore rispetto al bisolfuro di molibdeno e alla grafite. Può essere utilizzato fino a 900°C in atmosfera ossidante e fino a 2000°C sotto vuoto. Le prestazioni di lubrificazione sono scarse a temperatura ambiente, quindi 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 soli 2. Ha una buona lavorabilità e può essere tornito, fresato, piallato, forato, rettificato e tagliato con un’elevata precisione di lavorazione, in modo da poter 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 conducibilità a temperatura ambiente può raggiungere 10^16~10^18Ω/cm e, anche a 1000°C, la resistività è ancora 1014~106Ω/cm. La costante dielettrica di h-BN è 3~5. La perdita dielettrica è (2~8)*10-4 e la resistenza alla rottura è doppia rispetto a quella di Al2O3, raggiungendo i 30~40kV/mm, quindi è un isolamento ideale per le alte frequenze, l’isolamento ad alta tensione e il materiale isolante per le alte temperature.
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 termocoppia 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 isolante elettrico per alte temperature.
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 al diamante e di gran lunga superiore ad altri materiali, quindi esso e il diamante sono chiamati collettivamente materiali superduri.
I materiali superduri sono ampiamente utilizzati negli utensili da segatura, negli utensili di rettifica, negli utensili di perforazione e negli utensili da taglio. Il diamante si ossida facilmente alle alte temperature, soprattutto con elementi in ferro, e non è adatto per la lavorazione di 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 sviluppò per la prima volta il nitruro di boro cubico, ma il nitruro di boro cubico naturale non è stato trovato finora.
Le proprietà del nitruro di boro cubico includono principalmente un’elevata durezza e stabilità termica e la sua microdurezza è seconda solo al diamante artificiale.
La sua stabilità termica è migliore di quella del diamante artificiale, e può comunque mantenere proprietà meccaniche e durezza sufficientemente elevate alle alte temperature, e ha una buona durezza rossa;
Ha una struttura stabile, un’elevata resistenza all’ossidazione, una buona stabilità chimica, particolarmente migliore del diamante, e non reagisce chimicamente con gli elementi del gruppo del ferro a temperature fino a 1100 ~ 1300 °C, quindi è particolarmente adatto per la 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 di rettifica, ha una lunga durata e una buona resistenza all’usura.
Tuttavia, il nitruro di boro cubico monocristallino ha una granulometria piccola, anisotropia e un piano di scissione facile da dividere. È fragile e molto facile da tagliare.
c-BN ha un’elevata durezza, inerzia chimica e stabilità termica alle alte temperature, quindi è ampiamente utilizzato come mola abrasiva c-BN nei processi di rettifica.
Poiché c-BN ha caratteristiche superiori ad altri materiali per utensili, le persone hanno cercato di applicarlo alla lavorazione di taglio fin dall’inizio, ma le particelle di c-BN a cristallo singolo sono piccole ed è difficile realizzare strumenti e la proprietà di sinterizzazione di c-BN è molto scarsa, rendendo difficile realizzare corpi sinterizzati c-BN più grandi.
Fu solo negli anni ’70 che l’ex Unione Sovietica, la Cina, gli Stati Uniti, il Regno Unito e altri paesi svilupparono con successo corpi sinterizzati c-BN come utensili da taglio – nitruro di boro cubico policristallino PCBN. Da allora, il PCBN è stato utilizzato in vari campi della lavorazione del taglio grazie alle sue prestazioni di taglio superiori, in particolare nella lavorazione del taglio di materiali ad alta durezza e materiali difficili da lavorare.
Quali sono icampi di applicazione del nitruro di boro?
Il nitruro di boro è un riempitivo termoconduttivo altamente efficiente con eccellente conduttività termica, prestazioni di isolamento e stabilità chimica. È ampiamente utilizzato in campi termoconduttivi ad alta temperatura, alta pressione, alta velocità e alta precisione, come dispositivi elettronici, aerospaziale, veicoli di nuova energia, apparecchiature chimiche e altri settori con elevati requisiti di dissipazione del calore.
Nel campo dei dispositivi elettronici, può essere utilizzato come materiali come piastre termoconduttive, paste termoconduttive, gel termoconduttivi, radiatori, ecc., Per ridurre efficacemente la temperatura dei dispositivi elettronici. Può essere utilizzato in terminali per dispositivi intelligenti di consumo come smartphone, orologi intelligenti, laptop, droni, ecc. per stabilizzare le loro prestazioni e aumentarne la durata.
Nel campo 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 campo 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.
