Nitruro di boro (BN) – Proprietà e informazioni sul nitruro di boro

Il nitruro di boro (BN) è un materiale sintetico, che sebbene sia stato scoperto all’inizio del XIX secolo non è stato sviluppato come materiale commerciale fino alla seconda metà del XX secolo. Il boro e l’azoto sono vicini del carbonio nella tavola periodica – in combinazione il boro e l’azoto hanno lo stesso numero di elettroni del guscio esterno – i raggi atomici del boro e dell’azoto sono simili a quelli del carbonio. Non sorprende quindi che il nitruro di boro e il carbonio presentino somiglianze nella loro struttura cristallina.

Nello stesso modo in cui il carbonio esiste come grafite e diamante, il nitruro di boro può essere sintetizzato in forme esagonali e cubiche.

La sintesi della polvere esagonale di nitruro di boro si ottiene per nitrurazione o ammonalisi dell’ossido borico a temperatura elevata. Il nitruro di boro cubico si forma per trattamento ad alta pressione e ad alta temperatura del BN esagonale.

Il nitruro di boro esagonale (h-BN) è l’equivalente nella struttura della grafite (vedi figura 1). Come la grafite, la sua microstruttura a piastre e la sua struttura reticolare a strati gli conferiscono buone proprietà lubrificanti. h-BN è resistente alla sinterizzazione e viene solitamente formato tramite pressatura a caldo.

Figura 1. Polvere h-BN (foto per gentile concessione di Ceram Research Ltd)

Il nitruro di boro cubico (C-BN) ha la stessa struttura del diamante e le sue proprietà riflettono quelle del diamante. Infatti il C-BN è il secondo materiale più duro dopo il diamante. Il C-BN è stato sintetizzato per la prima volta nel 1957, ma è solo negli ultimi 15 anni che si è sviluppata la produzione commerciale di C-BN.

Nitruro di boro esagonale (h-BN)

h-BN ha eccellenti proprietà lubrificanti

Nello stato pressato a caldo, h-BN è facilmente lavorabile con le tecniche convenzionali di taglio dei metalli, quindi componenti di forma complessa possono essere creati dalla billetta pressata a caldo.

A patto che l’ossidazione della superficie possa essere evitata, l’h-BN non viene bagnato dalla maggior parte dei metalli fusi, dai vetri e dai sali e quindi ha un’alta resistenza all’attacco chimico.

Alta resistenza alla rottura dielettrica

Alta resistività di volume

Buona inerzia chimica

Nitruro di boro cubico (C-BN)

C-BN è il secondo materiale più duro conosciuto, inferiore solo al diamante

Alta conduttività termica

Eccellente resistenza all’usura

Buona inerzia chimica

Tabella 1. Proprietà tipiche del nitruro di boro esagonale e cubico.

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.

Crucioli e recipienti di reazione

La sua inerzia chimica porta all’applicazione come guaine di protezione per termocoppie, crogioli e rivestimenti per recipienti di reazione anche se, come sopra, l’ossidazione deve essere evitata.

Stampi e barche evaporanti

H-BN è usato in forma sfusa o come rivestimento per stampi refrattari usati nella formazione del vetro e nella formazione superplastica del titanio (vedi figura 2). Viene anche usato come costituente in materiali compositi, ad esempio TiB2/BN per barche per l’evaporazione del metallo, e Si3N4/BN per anelli di rottura nella colata continua dell’acciaio (vedi figura 3).

Figura 2. Crogiolo e barca per l’acciaio fuso (foto per gentile concessione di Ceram Research Ltd)

Figura 3. Molle per colata continua orizzontale di acciaio (foto per gentile concessione di Ceram Research Ltd)

Pressatura isostatica a caldo

La sua refrattarietà combinata con il fatto che non viene bagnata dal vetro fuso porta all’utilizzo di h-BN nella produzione di materiale pressato isostaticamente a caldo (HIP’ed), in particolare la ceramica. In questa applicazione le parti preformate sono rivestite di h-BN prima dell’incapsulamento del vetro e dell’HIP’ing. Questo protegge la parte che viene HIP’ed dall’entrare effettivamente in contatto con il vetro, che a sua volta rende più facile la rimozione dopo l’HIP’ing.

Utensili da taglio e abrasivi

Utensili da taglio e componenti abrasivi particolarmente per l’uso con metalli ferrosi a basso tenore di carbonio sono stati sviluppati utilizzando C-BN. In questa applicazione gli utensili si comportano in modo simile agli utensili in diamante policristallino, ma possono essere utilizzati su ferro e leghe a basso contenuto di carbonio senza rischio di reazione.

Substrati per dispositivi elettronici

C-BN è utilizzato per substrati per il montaggio di componenti elettronici ad alta densità e ad alta potenza, dove l’alta conducibilità termica ottenuta permette un’efficiente dissipazione del calore.

Rivestimenti resistenti all’usura

Data la sua elevata durezza e le eccellenti proprietà di resistenza all’usura, sono stati sviluppati rivestimenti di C-BN.

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