Boronnitrid (BN) – Egenskaper och information om boronnitrid

Boronnitrid (BN) är ett syntetiskt material som visserligen upptäcktes i början av 1800-talet men som inte utvecklades som ett kommersiellt material förrän under senare hälften av 1900-talet. Bor och kväve är grannar till kol i det periodiska systemet – i kombination har bor och kväve samma antal elektroner i det yttre skalet – atomradierna för bor och kväve liknar kolets. Det är därför inte förvånande att bornitrid och kol uppvisar likheter i sin kristallstruktur.

På samma sätt som kol finns som grafit och diamant kan bornitrid syntetiseras i hexagonala och kubiska former.

Syntesen av hexagonalt bornitridpulver åstadkoms genom nitrering eller ammonalys av boroxid vid förhöjd temperatur. Kubisk bornitrid bildas genom behandling under högt tryck och hög temperatur av hexagonal BN.

Hexagonal bornitrid (h-BN) motsvarar i struktur grafit (se figur 1). Liksom grafit ger dess plattliknande mikrostruktur och skiktade gitterstruktur goda smörjegenskaper. h-BN är motståndskraftig mot sintring och bildas vanligen genom varmpressning.

Figur 1. h-BN-pulver (foto med artighet av Ceram Research Ltd)

Kubisk bornitrid (C-BN) har samma struktur som diamant och dess egenskaper speglar diamantens. C-BN är faktiskt det näst hårdaste materialet efter diamant. C-BN syntetiserades för första gången 1957, men det är först under de senaste 15 åren som den kommersiella produktionen av C-BN har utvecklats.

Hexagonal bornitrid (h-BN)

h-BN har utmärkta smörjningsegenskaper

I varmpressat tillstånd är h-BN lätt att bearbeta med hjälp av konventionella metallskärningstekniker, vilket innebär att komplexa formade komponenter kan tillverkas av varmpressad billet.

Förutsatt att oxidation av ytan kan förhindras, blir h-BN inte fuktad av de flesta smälta metaller, glas och salter och har därför en hög motståndskraft mot kemiska angrepp.

Hög dielektrisk genombrottsstyrka

Hög volymresistivitet

God kemisk inerthet

Kubisk bornitrid (C-BN)

C-BN är det näst hårdaste material som är känt, endast underlägset diamant

Hög värmeledningsförmåga

Utmärkt slitstyrka

God kemisk inerthet

Tabell 1. Typiska egenskaper för hexagonal och kubisk 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.

Grytor och reaktionskärl

Dess kemiska inerthet leder till att den kan användas som skyddshölje för termoelement, deglar och foder för reaktionskärl, även om oxidation måste undvikas.

Gjutformar och förångningsbåtar

h-BN används i bulk eller som beläggning för eldfasta gjutformar som används vid glasformning och vid superplastformning av titan (se figur 2). Det används också som en beståndsdel i kompositmaterial, t.ex. TiB2/BN-kompositer för metallförångningsbåtar och Si3N4/BN för brytringar vid stränggjutning av stål (se figur 3).

Figur 2. Smältdegel och båt för smält stål (foto med tillstånd av Ceram Research Ltd)

Figur 3. Brytringar för horisontell stränggjutning av stål (foto med tillstånd från Ceram Research Ltd)

Hot isostatisk pressning

Dess brytbarhet i kombination med det faktum att det inte fuktas av smält glas leder till att h-BN används vid tillverkning av het isostatiskt pressade (HIP’ed) material, framför allt keramik. I denna tillämpning beläggs förformade delar med h-BN före inkapsling i glas och HIP-pressning. På så sätt skyddas den del som ska HIP-tillverkas från att komma i kontakt med glaset, vilket i sin tur gör det lättare att avlägsna den efter HIP-tillverkningen.

Skärverktyg och slipmedel

Skärverktyg och slipkomponenter, särskilt för användning med järnmetaller med lågt kolinnehåll, har utvecklats med hjälp av C-BN. I denna tillämpning beter sig verktygen på liknande sätt som polykristallina diamantverktyg men kan användas på järn och lågkollegeringar utan risk för reaktion.

Substrat för elektroniska anordningar

C-BN används för substrat för montering av elektroniska komponenter med hög densitet och hög effekt, där den höga värmeledningsförmåga som uppnås möjliggör effektiv värmeavledning.

Slitstark beläggning

På grund av dess höga hårdhet och utmärkta slitstarka egenskaper har beläggningar av C-BN utvecklats.

Citat