Bornitrid ist ein Kristall, der aus Stickstoff- und Boratomen besteht, mit der Summenformel BN, Molekulargewicht 24,81, chemischer Zusammensetzung 43,6 % Bor und 56,4 % Stickstoff, theoretische Dichte 2,27 g/cm3.
Bornitridpulver hat die Eigenschaften locker, schmierfähig, leicht, leicht zu absorbierende Feuchtigkeit usw. und die Farbe ist weiß. Bornitrid-Produkte sind elfenbeinweiß.
Bornitrid wurde erstmals vor mehr als 100 Jahren in Bellmans Labor entdeckt und das Material in den späten 1950er Jahren in großem Maßstab entwickelt.
Bornitrid (BN) ist ein neuartiger keramischer Werkstoff mit hervorragender Leistung und großem Entwicklungspotenzial. Es enthält 5 Isomere, nämlich hexagonales Bornitrid (h-BN), Wurtzit-Bornitrid (w-BN), rhombisches Bornitrid (r-BN), kubisches Bornitrid (c-BN) und orthorhombisches Bornitrid (o-BN). Derzeit konzentriert sich die Forschung an Bornitrid hauptsächlich auf seine hexagonale Phase (H-BN) und kubische Phase (C-BN).
Die Eigenschaften von Bornitrid lassen sich vor allem in folgende Aspekte unterteilen:
✔In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften: Es hat die Vorteile der Abriebfestigkeit, des geringen Verschleißes, der Dimensionssicherheit, der guten Schmierfähigkeit, der Feuerbeständigkeit und der einfachen Verarbeitung.
✔In Bezug auf die elektrischen Eigenschaften: Es hat die Vorteile einer guten Spannungsfestigkeit, einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, eines geringen Verlusts bei hoher Frequenz, einer Mikrowellendurchdringung, einer guten elektrischen Isolierung usw.
✔In Bezug auf die thermischen Eigenschaften: Es hat die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer hohen Wärmekapazität, einer geringen Wärmeausdehnung, einer Temperaturwechselbeständigkeit, einer hohen Temperaturschmierfähigkeit und einer hohen Temperaturstabilität.
✔In Bezug auf die chemischen Eigenschaften: Es hat die Vorteile der Ungiftigkeit, der chemischen Stabilität, der Korrosionsbeständigkeit, der Oxidationsbeständigkeit, der geringen Feuchtigkeit, der biologischen Stabilität und der Antihafteigenschaften.
Hexagonales Bornitrid
Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist die am häufigsten verwendete Form von Bornitrid. Die Struktur von h-BN ähnelt der von Graphit, mit einer hexagonalen Schichtstruktur, Gitterkonstanten a = 0,2504 nm, c = 0,6661 nm, theoretischer Dichte 2,27 g/cm3, Schmelzpunkt 3000 °C, weicher Textur, starker Verarbeitbarkeit und weißer Farbe, allgemein bekannt als “weißer Graphit”.
Hexagonales Bornitrid (h-BN) hat eine ausgezeichnete elektrische Isolation, eine ausgezeichnete chemische Stabilität und hervorragende dielektrische Eigenschaften.
Thermische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: kein offensichtlicher Schmelzpunkt, Sublimation bei 3000 °C in 0,1 MPA Stickstoff, Schmelzpunkt 3000 °C in Inertgas, Hitzebeständigkeit bis 2000 °C in neutraler reduzierender Atmosphäre, Einsatztemperatur bis 2800 °C in Stickstoff und Argon, schlechte Stabilität in Sauerstoffatmosphäre, Einsatztemperatur unter 1000 °C.
Hexagonales Bornitrid ist eines der wärmeleitenden Materialien in keramischen Werkstoffen, mit einer Wärmeleitfähigkeit, die zehnmal so hoch ist wie die von Quarz, und einer höheren Wärmeleitfähigkeit von 60 W/(m·K) in Richtung senkrecht zur c-Achse;
Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient, der Quarz entspricht, ist mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 41 * 10-6m / K in Richtung der c-Achse und 2,3 * 10-6m / K in Richtung der d-Achse der kleinste unter den Keramiken, sodass er eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweist.
Mechanische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: Der Reibungskoeffizient beträgt nur 0,16 und steigt bei hohen Temperaturen nicht an. Es hat eine höhere Temperaturbeständigkeit als Molybdändisulfid und Graphit. Es kann bis zu 900°C in einer oxidierenden Atmosphäre und bis zu 2000°C im Vakuum verwendet werden. Die Schmierleistung ist bei Raumtemperatur schlecht, daher wird es oft mit Graphitfluorid, Graphit und Molybdändisulfid als Hochtemperaturschmierstoff gemischt.
Hexagonales Bornitrid ist ein weiches Material mit einer Mohs-Härte von nur 2. Es verfügt über eine gute Bearbeitbarkeit und kann mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit gedreht, gefräst, gehobelt, gebohrt, geschliffen und geschnitten werden, so dass es durch allgemeine mechanische Bearbeitungsverfahren zu hochpräzisen Teilen und Produkten verarbeitet werden kann.
Elektrische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: Hexagonales Bornitrid ist ein guter Wärmeleiter und ein typischer elektrischer Isolator. Die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur kann 10^16~10^18Ω/cm erreichen, und selbst bei 1000°C beträgt der spezifische Widerstand immer noch 1014~106Ω/cm. Die Dielektrizitätskonstante von h-BN beträgt 3~5. Der dielektrische Verlust beträgt (2 ~ 8) * 10-4, und die Durchschlagsfestigkeit ist doppelt so hoch wie die von Al2O3 und erreicht 30 ~ 40 kV / mm, so dass es ein ideales Hochfrequenzisolations-, Hochspannungsisolierungs- und Hochtemperaturisolationsmaterial ist.
Chemische Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid: HBN hat eine ausgezeichnete chemische Stabilität. Es reagiert nicht mit allgemeinen Metallen, Seltenerdmetallen, Edelmetallen, Halbleitermaterialien, Glas, geschmolzenen Salzen, anorganischen Säuren und Laugen. Es benetzt und wirkt nicht auf die meisten Metallschmelzen wie Stahl, Edelstahl, Al, Fe, Ge, Cu, Ni, Zn usw. Daher kann es als Hochtemperatur-Thermoelement-Schutzabdeckung, als Tiegel für geschmolzenes Metall, als Behälter für die Förderung von flüssigem Metall, als Rohr für die Förderung von flüssigem Metall, als Pumpenteile, als Form für Stahlguss und als elektrisches Hochtemperatur-Isoliermaterial verwendet werden.
Kubisches Bornitrid
Kubisches Bornitrid (c-BN) wurde erstmals in den 1950er Jahren von General Electric (GE) in den Vereinigten Staaten unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen synthetisiert. Seine Härte ist nach Diamant die zweithöchste und weit höher als bei anderen Materialien, so dass er und Diamant zusammen als superharte Materialien bezeichnet werden.
Superharte Materialien werden häufig in Sägewerkzeugen, Schleifwerkzeugen, Bohrwerkzeugen und Schneidwerkzeugen verwendet. Diamant wird bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Eisenelementen, leicht oxidiert und ist nicht für die Verarbeitung von Eisenmetallen auf Eisenbasis geeignet. Kubisches Bornitrid hat eine ähnliche Kristallstruktur wie Diamant und seine Härte ist etwas geringer als die von Diamant. Es wird häufig als Schleif- und Werkzeugmaterial verwendet.
Im Jahr 1957 entwickelte R.H. Wintoff aus den Vereinigten Staaten erstmals kubisches Bornitrid, aber natürliches kubisches Bornitrid wurde bisher nicht gefunden.
Zu den Eigenschaften von kubischem Bornitrid gehören vor allem eine hohe Härte und thermische Stabilität, und seine Mikrohärte ist nach künstlichem Diamant an zweiter Stelle.
Seine thermische Stabilität ist besser als die von künstlichem Diamanten, und er kann immer noch ausreichend hohe mechanische Eigenschaften und Härte bei hohen Temperaturen beibehalten und hat eine gute rote Härte;
Es hat eine stabile Struktur, eine hohe Oxidationsbeständigkeit, eine gute chemische Stabilität, besonders besser als Diamant, und reagiert bei Temperaturen von bis zu 1100 ~ 1300 °C nicht chemisch mit Eisengruppenelementen, so dass es besonders für die Verarbeitung von Eisenmetallmaterialien geeignet ist.
Die Wärmeleitfähigkeit ist kleiner als die von Diamant, aber höher als die von Hartmetall und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit;
Hohe Biegefestigkeit;
Als Werkstoff für das Schleifwerkzeug verfügt es über eine lange Lebensdauer und eine gute Verschleißfestigkeit.
Einkristallines kubisches BN hat jedoch eine geringe Korngröße, Anisotropie und eine leicht zu spaltende Spaltebene. Es ist spröde und lässt sich sehr leicht spalten.
c-BN hat eine hohe Härte, chemische Inertheit und thermische Stabilität bei hohen Temperaturen, so dass es häufig als abrasive c-BN-Schleifscheibe in der Schleifverarbeitung verwendet wird.
Da c-BN bessere Eigenschaften als andere Werkzeugmaterialien aufweist, haben die Menschen von Anfang an versucht, es in der Schneidbearbeitung anzuwenden, aber die Partikel von einkristallinem c-BN sind klein und es ist schwierig, Werkzeuge herzustellen, und die Sintereigenschaft von c-BN ist sehr schlecht, was es schwierig macht, größere c-BN-Sinterkörper herzustellen. Erst in den 1970er Jahren entwickelten die ehemalige Sowjetunion, China, die Vereinigten Staaten, das Vereinigte Königreich und andere Länder erfolgreich c-BN-Sinterkörper als Schneidwerkzeuge – polykristallines kubisches Bornitrid PCBN. Seitdem wird PCBN mit seiner überlegenen Schneidleistung in verschiedenen Bereichen der Schneidbearbeitung eingesetzt, insbesondere bei der Schneidbearbeitung von hochhärtenden und schwer zu verarbeitenden Materialien.
Was sind dieAnwendungsfelder von Bornitrid?
Bornitrid ist ein hocheffizienter wärmeleitender Füllstoff mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit, Isolationsleistung und chemischer Stabilität. Es wird häufig in Hochtemperatur-, Hochdruck-, Hochgeschwindigkeits- und hochpräzisen Wärmeleitbereichen eingesetzt, wie z. B. in elektronischen Geräten, in der Luft- und Raumfahrt, in Fahrzeugen mit neuer Energie, in chemischen Anlagen und in anderen Branchen mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung.
Im Bereich der elektronischen Geräte kann es als Materialien wie wärmeleitende Platten, wärmeleitende Pasten, wärmeleitende Gele, Heizkörper usw. verwendet werden, um die Temperatur elektronischer Geräte effektiv zu senken. Es kann in Endgeräten für intelligente Geräte wie Smartphones, Smartwatches, Laptops, Drohnen usw. verwendet werden, um deren Leistung zu stabilisieren und ihre Lebensdauer zu erhöhen.
Im Bereich der Luft- und Raumfahrt kann es zur Herstellung von Hochtemperatur-Strukturmaterialien, wärmeleitenden Materialien, Wärmedämmschichten usw. verwendet und in Satelliten, Detektoren, Raumstationen usw. verwendet werden, um die Leistung und Sicherheit von Luft- und Raumfahrtfahrzeugen zu verbessern.
Im Bereich der Fahrzeuge mit neuer Energie kann es die Anforderungen an die Wärmeableitung von Automobilsystemen wie Motoren, elektronischen Steuerungen und Batterien erfüllen und die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Automobilen verbessern.
Im Bereich der chemischen Ausrüstung kann es Hochtemperaturreaktoren, Katalysatoren und Wärmeübertragungsanlagen herstellen, um die Effizienz und Sicherheit chemischer Anlagen zu verbessern.
