Bór-nitrid (BN) – Tulajdonságok és információk a bór-nitridről

A bór-nitrid (BN) egy szintetikus anyag, amelyet bár a 19. század elején fedeztek fel, kereskedelmi anyagként csak a 20. század második felében fejlesztettek ki. A bór és a nitrogén a szén szomszédai a periódusos rendszerben – a bórnak és a nitrogénnek együttesen ugyanannyi külső héjelektronja van – a bór és a nitrogén atomsugara hasonló a szénéhez. Ezért nem meglepő, hogy a bór-nitrid és a szén kristályszerkezete hasonlóságot mutat.

Ahogyan a szén grafit és gyémánt formájában létezik, a bór-nitrid is szintetizálható hexagonális és köbös formában.

A hexagonális bór-nitridpor szintézise bór-oxid nitridálásával vagy ammonalízisével érhető el magas hőmérsékleten. A kubikus bór-nitrid a hexagonális BN nagy nyomáson és magas hőmérsékleten történő kezelésével jön létre.

A hexagonális bór-nitrid (h-BN) szerkezetét tekintve a grafitnak felel meg (lásd az 1. ábrát). A grafithoz hasonlóan lemezszerű mikroszerkezete és réteges rácsszerkezete jó kenési tulajdonságokat biztosít. A h-BN ellenáll a szinterezésnek, és általában forró sajtolással alakítják ki.

1. ábra. h-BN por (a kép a Ceram Research Ltd. jóvoltából)

A köbös bórnitrid (C-BN) szerkezete megegyezik a gyémántéval, és tulajdonságai a gyémántét tükrözik. A C-BN valóban a második legkeményebb anyag a gyémánt mellett. A C-BN-t először 1957-ben szintetizálták, de csak az elmúlt 15 évben alakult ki a C-BN kereskedelmi célú gyártása.

Hexagonális bór-nitrid (h-BN)

A h-BN kiváló kenési tulajdonságokkal rendelkezik

A h-BN melegen sajtolt állapotban könnyen megmunkálható a hagyományos fémforgácsolási technikákkal, így a melegen sajtolt tuskóból összetett alakú alkatrészek készíthetők.

A h-BN-t – feltéve, hogy a felület oxidációja megakadályozható – a legtöbb olvadt fém, üveg és só nem nedvesíti meg, ezért nagymértékben ellenáll a vegyi támadásoknak.

Nagy dielektromos átütési szilárdság

Nagy térfogati ellenállás

Jó kémiai inertitás

Kubikus bór-nitrid (C-BN)

A C-BN a második legkeményebb ismert anyag, csak a gyémántnál rosszabb

Nagy hővezető képesség

Kiváló kopásállóság

Jó kémiai inertitás

1. táblázat. A hexagonális és a köbös bór-nitrid tipikus tulajdonságai.

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.

Tégelyek és reakcióedények

Kémiai inertsége miatt hőelemek védőburkolataként, tégelyek és reakcióedények béléseként alkalmazzák, bár a fentiek szerint el kell kerülni az oxidációt.

Szerszámok és párolóhajók

A h-BN-t ömlesztett formában vagy bevonatként használják tűzálló öntőformákhoz, amelyeket üvegformázáshoz és titán szuperplasztikus formázásához használnak (lásd a 2. ábrát). Kompozit anyagok alkotórészeként is használják, pl. TiB2/BN kompozitokat fémpárologtató csónakokhoz, valamint Si3N4/BN-t törőgyűrűkhöz az acél folyamatos öntésében (lásd a 3. ábrát).

2. ábra. Tégely és csónak olvadt acélhoz (a kép a Ceram Research Ltd. jóvoltából)

3. ábra. Törőgyűrűk acél vízszintes folyamatos öntéséhez (fotó a Ceram Research Ltd. jóvoltából)

Hőizosztatikus préselés

Tűzállósága és az a tény, hogy az olvadt üveg nem nedvesíti, oda vezetett, hogy a h-BN-t hőizosztatikusan préselt (HIP’ed) anyagok, leginkább kerámiák előállítására használják. Ebben az alkalmazásban az előformázott alkatrészeket h-BN bevonattal látják el az üvegbe zárás és a HIP’ing előtt. Ez megvédi a HIP’edálandó alkatrészt attól, hogy ténylegesen érintkezzen az üveggel, ami viszont megkönnyíti az eltávolítását a HIP’ing után.

Gépi vágószerszámok és csiszolóanyagok

C-BN felhasználásával fejlesztettek ki vágószerszámokat és csiszolóelemeket, különösen alacsony széntartalmú vasfémekkel való használatra. Ebben az alkalmazásban a szerszámok a polikristályos gyémánt szerszámokhoz hasonlóan viselkednek, de a reakció veszélye nélkül használhatók vason és alacsony széntartalmú ötvözeteken.

Elektronikai eszközök hordozói

A C-BN-t nagy sűrűségű és nagy teljesítményű elektronikus alkatrészek rögzítésére szolgáló hordozókhoz használják, ahol az elért nagy hővezető képesség lehetővé teszi a hatékony hőelvezetést.

Kopásálló bevonatok

Nagy keménysége és kiváló kopásálló tulajdonságai miatt C-BN-bevonatokat fejlesztettek ki.

Hivatkozások