Bornitrid (BN) – Eigenschaften und Informationen über Bornitrid

Bornitrid (BN) ist ein synthetisches Material, das zwar Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt, aber erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts als kommerzielles Material entwickelt wurde. Bor und Stickstoff sind Nachbarn des Kohlenstoffs im Periodensystem – in Kombination haben Bor und Stickstoff die gleiche Anzahl von Elektronen in der äußeren Schale – die Atomradien von Bor und Stickstoff sind ähnlich wie die von Kohlenstoff. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Bornitrid und Kohlenstoff eine ähnliche Kristallstruktur aufweisen.

Wie Kohlenstoff in Form von Graphit und Diamant existiert, kann Bornitrid in hexagonaler und kubischer Form synthetisiert werden.

Die Synthese von hexagonalem Bornitridpulver erfolgt durch Nitridierung oder Ammonalyse von Boroxid bei erhöhter Temperatur. Kubisches Bornitrid wird durch Hochdruck- und Hochtemperaturbehandlung von hexagonalem BN gebildet.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) entspricht in seiner Struktur dem Graphit (siehe Abbildung 1). Wie Graphit verleihen ihm seine plattenartige Mikrostruktur und seine Schichtgitterstruktur gute Schmiereigenschaften. h-BN ist sinterbeständig und wird in der Regel durch Heißpressen hergestellt.

Abbildung 1. h-BN-Pulver (Foto mit freundlicher Genehmigung von Ceram Research Ltd)

Kubisches Bornitrid (C-BN) hat die gleiche Struktur wie Diamant und seine Eigenschaften entsprechen denen von Diamant. In der Tat ist C-BN nach Diamant das zweithärteste Material. C-BN wurde erstmals 1957 synthetisiert, aber erst in den letzten 15 Jahren hat sich die kommerzielle Produktion von C-BN entwickelt.

Hexagonales Bornitrid (h-BN)

h-BN hat hervorragende Schmiereigenschaften

Im heißgepressten Zustand lässt sich h-BN mit herkömmlichen Zerspanungstechniken leicht bearbeiten, so dass aus heißgepressten Knüppeln komplex geformte Komponenten hergestellt werden können.

Wenn die Oxidation der Oberfläche verhindert werden kann, wird h-BN von den meisten geschmolzenen Metallen, Gläsern und Salzen nicht benetzt und weist daher eine hohe Beständigkeit gegen chemische Angriffe auf.

Hohe Durchschlagsfestigkeit

Hoher Durchgangswiderstand

Gute chemische Inertheit

Kubisches Bornitrid (C-BN)

C-BN ist das zweithärteste bekannte Material, das nur von Diamant übertroffen wird

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Exzellente Verschleißfestigkeit

Gute chemische Inertheit

Tabelle 1. Typische Eigenschaften für hexagonales und kubisches Bornitrid.

Electrical insulators

The combination of high dielectric breakdown strength and volume resistivity lead to h-BN being used as an electrical insulator however its‘ tendency to oxidise at high temperatures often restrict its use to vacuum and inert atmosphere operation.

Tiegel und Reaktionsgefäße

Seine chemische Inertheit führt zur Verwendung als Thermoelement-Schutzhüllen, Tiegel und Auskleidungen von Reaktionsgefäßen, wobei jedoch eine Oxidation vermieden werden muss.

Formen und Verdampferschiffchen

h-BN wird in loser Form oder als Beschichtung für feuerfeste Formen bei der Glasformung und bei der superplastischen Formung von Titan verwendet (siehe Abbildung 2). Es wird auch als Bestandteil von Verbundwerkstoffen verwendet, z. B. TiB2/BN-Verbundwerkstoffe für Metallverdampfungsboote und Si3N4/BN für Bruchringe beim Stranggießen von Stahl (siehe Abbildung 3).

Abbildung 2. Tiegel und Schiffchen für geschmolzenen Stahl (Foto mit freundlicher Genehmigung von Ceram Research Ltd)

Abbildung 3. Brechringe für das horizontale Stranggießen von Stahl (Foto mit freundlicher Genehmigung von Ceram Research Ltd)

Heißisostatisches Pressen

Die Feuerfestigkeit von h-BN in Verbindung mit der Tatsache, dass es von geschmolzenem Glas nicht benetzt wird, hat dazu geführt, dass h-BN bei der Herstellung von heiß isostatisch gepresstem Material (HIP), insbesondere Keramik, verwendet wird. Bei dieser Anwendung werden vorgeformte Teile vor dem Glaseinschluss und dem HIP’ing mit h-BN beschichtet. Dadurch wird das HIP-Teil davor geschützt, mit dem Glas in Berührung zu kommen, was wiederum das Entfernen nach dem HIP-Vorgang erleichtert.

Schneidwerkzeuge und Schleifmittel

Schneidwerkzeuge und Schleifkomponenten, insbesondere für kohlenstoffarme Eisenmetalle, wurden unter Verwendung von C-BN entwickelt. In dieser Anwendung verhalten sich die Werkzeuge ähnlich wie Werkzeuge aus polykristallinem Diamant, können aber auf Eisen und kohlenstoffarmen Legierungen eingesetzt werden, ohne dass die Gefahr einer Reaktion besteht.

Substrate für elektronische Geräte

C-BN wird für Substrate zur Montage von elektronischen Bauteilen mit hoher Dichte und hoher Leistung verwendet, bei denen die erzielte hohe Wärmeleitfähigkeit eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht.

Verschleißfeste Beschichtungen

Aufgrund seiner hohen Härte und ausgezeichneten Verschleißfestigkeit wurden Beschichtungen aus C-BN entwickelt.

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