Nitrure de bore (BN) – Propriétés et informations sur le nitrure de bore

Le nitrure de bore (BN) est un matériau synthétique, qui bien que découvert au début du 19ème siècle n’a pas été développé comme matériau commercial avant la seconde moitié du 20ème siècle. Le bore et l’azote sont les voisins du carbone dans le tableau périodique – en combinaison, le bore et l’azote ont le même nombre d’électrons de la couche externe – les rayons atomiques du bore et de l’azote sont similaires à ceux du carbone. Il n’est donc pas surprenant que le nitrure de bore et le carbone présentent des similitudes dans leur structure cristalline.

De la même manière que le carbone existe sous forme de graphite et de diamant, le nitrure de bore peut être synthétisé sous des formes hexagonale et cubique.

La synthèse de la poudre de nitrure de bore hexagonale est obtenue par nitruration ou ammoniolyse de l’oxyde borique à température élevée. Le nitrure de bore cubique est formé par un traitement à haute pression et haute température du BN hexagonal.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est l’équivalent en structure du graphite (voir figure 1). Comme le graphite, sa microstructure en forme de plaque et sa structure en réseau en couches lui confèrent de bonnes propriétés lubrifiantes. Le h-BN est résistant au frittage et est généralement formé par pressage à chaud.

Figure 1. Poudre de h-BN (photo avec l’aimable autorisation de Ceram Research Ltd)

Le nitrure de bore cubique (C-BN) a la même structure que le diamant et ses propriétés reflètent celles du diamant. En effet, le C-BN est le deuxième matériau le plus dur après le diamant. Le C-BN a été synthétisé pour la première fois en 1957, mais ce n’est qu’au cours des 15 dernières années que la production commerciale de C-BN s’est développée.

Nitrure de bore hexagonal (h-BN)

Le h-BN possède d’excellentes propriétés lubrifiantes

À l’état pressé à chaud, le h-BN est facilement usinable à l’aide des techniques de coupe des métaux classiques, d’où la possibilité de façonner des composants de forme complexe à partir de billettes pressées à chaud.

Pourvu que l’oxydation de la surface puisse être évitée, le h-BN n’est pas mouillé par la plupart des métaux, verres et sels fondus et présente donc une grande résistance aux attaques chimiques.

Haute rigidité diélectrique par claquage

Haute résistivité volumique

Bonne inertie chimique

Nitrure de bore cubique (C-BN)

Le C-BN est le deuxième matériau le plus dur connu, inférieur seulement au diamant

Haute conductivité thermique

Excellente résistance à l’usure

Bonne inertie chimique

Tableau 1. Propriétés typiques du nitrure de bore hexagonal et cubique.

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.

Crucibles et récipients de réaction

Son inertie chimique conduit à son application comme gaines de protection des thermocouples, creusets et revêtements de récipients de réaction bien que comme ci-dessus l’oxydation doive être évitée.

Moules et bateaux d’évaporation

Le h-BN est utilisé en vrac ou comme revêtement pour les moules réfractaires utilisés dans le formage du verre et dans le formage superplastique du titane (voir figure 2). Il est également utilisé comme constituant de matériaux composites, par exemple les composites TiB2/BN pour les bateaux d’évaporation des métaux, et Si3N4/BN pour les anneaux de rupture dans la coulée continue de l’acier (voir figure 3).

Figure 2. Creuset et bateau pour l’acier en fusion (photo gracieusement fournie par Ceram Research Ltd)

Figure 3. Casseroles pour la coulée continue horizontale de l’acier (photo courtoisie de Ceram Research Ltd)

Pression isostatique à chaud

Sa réfractarité combinée au fait qu’il n’est pas mouillé par le verre fondu conduit à l’utilisation de h-BN dans la production de matériaux pressés isostatiquement à chaud (HIP’ed), les plus notables étant les céramiques. Dans cette application, les pièces préformées sont revêtues de h-BN avant d’être encapsulées dans du verre et pressées à chaud. Cela permet de protéger la pièce HIP’ed d’entrer réellement en contact avec le verre, ce qui facilite son retrait après HIP’ing.

Outils de coupe et abrasifs pour machines

Des outils de coupe et des composants abrasifs particulièrement destinés à être utilisés avec des métaux ferreux à faible teneur en carbone ont été développés en utilisant C-BN. Dans cette application, les outils se comportent de manière similaire aux outils en diamant polycristallin mais peuvent être utilisés sur le fer et les alliages à faible teneur en carbone sans risque de réaction.

Substrats pour dispositifs électroniques

Le C-BN est utilisé pour les substrats destinés au montage de composants électroniques haute densité et haute puissance où la haute conductivité thermique obtenue permet une dissipation efficace de la chaleur.

Revêtements résistants à l’usure

En raison de sa dureté élevée et de ses excellentes propriétés de résistance à l’usure, des revêtements de C-BN ont été développés.

Citations