Boornitride (BN) – Eigenschappen en informatie over boornitride

Boornitride (BN) is een synthetisch materiaal, dat hoewel het in het begin van de 19e eeuw werd ontdekt, pas in de tweede helft van de 20e eeuw als commercieel materiaal werd ontwikkeld. Boor en stikstof zijn buren van koolstof in het periodiek systeem – in combinatie hebben boor en stikstof hetzelfde aantal elektronen in de buitenste schil – de atomaire stralen van boor en stikstof zijn vergelijkbaar met die van koolstof. Het is dan ook niet verwonderlijk dat boornitride en koolstof in hun kristalstructuur overeenkomsten vertonen.

Op dezelfde wijze als koolstof in de vorm van grafiet en diamant bestaat, kan boornitride in zeshoekige en kubische vorm worden gesynthetiseerd.

De synthese van zeshoekig boornitridepoeder wordt bereikt door nitridatie of ammonalyse van booroxide bij hoge temperatuur. Kubisch boornitride wordt gevormd door behandeling onder hoge druk en hoge temperatuur van hexagonaal BN.

Hexagonaal boornitride (h-BN) is qua structuur het equivalent van grafiet (zie figuur 1). Net als grafiet geven de plaatvormige microstructuur en de gelaagde roosterstructuur goede smeereigenschappen. h-BN is bestand tegen sinteren en wordt meestal gevormd door heet persen.

Figuur 1. h-BN poeder (foto met dank aan Ceram Research Ltd)

Kubisch boornitride (C-BN) heeft dezelfde structuur als diamant en zijn eigenschappen weerspiegelen die van diamant. C-BN is zelfs het op één na hardste materiaal naast diamant. C-BN werd voor het eerst gesynthetiseerd in 1957, maar het is pas in de laatste 15 jaar dat de commerciële produktie van C-BN zich heeft ontwikkeld.

Hexagonaal Boornitride (h-BN)

h-BN heeft uitstekende smeereigenschappen

In de warmgeperste toestand is h-BN gemakkelijk te bewerken met conventionele metaalsnijtechnieken, zodat complex gevormde componenten uit warmgeperst billet kunnen worden gemaakt.

Op voorwaarde dat oxidatie van het oppervlak kan worden voorkomen, wordt h-BN niet bevochtigd door de meeste gesmolten metalen, glazen en zouten en heeft dus een hoge weerstand tegen chemische aantasting.

Hoge diëlektrische analysesterkte

Hoge volumeweerstand

Goede chemische inertheid

Cubic Boron Nitride (C-BN)

C-BN is het tweede hardste bekende materiaal, inferieur slechts aan diamant

Hoge thermische geleidbaarheid

Uitstekende slijtageweerstand

Goede chemische inertheid

Tabel 1. Typische eigenschappen voor hexagonaal en kubisch boornitride.

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.

Kroezen en reactievaten

De chemische inertheid leidt tot toepassing als thermokoppelbeschermmantels, smeltkroezen en bekledingen voor reactievaten, hoewel zoals hierboven oxidatie moet worden vermeden.

Vormen en verdampingsboten

h-BN wordt gebruikt in bulkvorm of als coating voor vuurvaste matrijzen die worden gebruikt bij het vormen van glas en bij het superplastisch vormen van titanium (zie figuur 2). Het wordt ook gebruikt als bestanddeel in composietmaterialen, bv. TiB2/BN-composieten voor metaalverdampingsboten, en Si3N4/BN voor breekringen bij continugieten van staal (zie figuur 3).

Figuur 2. Kroes en boot voor gesmolten staal (foto met dank aan Ceram Research Ltd)

Figuur 3. Breekringen voor horizontaal continugieten van staal (foto met dank aan Ceram Research Ltd)

Het heet isostatisch persen

Door zijn vuurvastheid in combinatie met het feit dat het niet wordt bevochtigd door gesmolten glas, wordt h-BN gebruikt bij de productie van heet isostatisch geperst (HIP’ed) materiaal, met name keramiek. In deze toepassing worden voorgevormde onderdelen gecoat met h-BN voordat zij worden ingekapseld in glas en HIP’ing. Dit beschermt het HIP’ed-onderdeel tegen daadwerkelijk contact met het glas, wat het op zijn beurt gemakkelijker maakt om het na HIP’ing te verwijderen.

Machinesnijgereedschappen en schuurmiddelen

Snijgereedschappen en schuurmiddelen, vooral voor gebruik met ferrometalen met een laag koolstofgehalte, zijn ontwikkeld met gebruikmaking van C-BN. In deze toepassing de gereedschappen gedragen zich op een vergelijkbare manier als polykristallijn diamant gereedschappen, maar kan worden gebruikt op ijzer en koolstofarme legeringen zonder risico van reactie.

Substraten voor elektronische apparaten

C-BN wordt gebruikt voor substraten voor de montage van hoge dichtheid en hoog vermogen elektronische componenten waar de hoge thermische geleidbaarheid bereikt maakt efficiënte warmteafvoer.

Slijtvaste coatings

Dankzij zijn hoge hardheid en uitstekende slijtvaste eigenschappen zijn coatings van C-BN ontwikkeld.

Citaties