Bornitridist ein Kristall aus Stickstoff- und Boratomen. Die chemische Zusammensetzung beträgt 43,6 % Bor und 56,4 % Stickstoff, mit vier verschiedenen Varianten: HBN, RBN, CBN und WBN. CBN ist normalerweise ein schwarzer, brauner oder dunkelroter Kristall mit Sphaleritstruktur und guter Wärmeleitfähigkeit. Die Härte ist nach Diamant die zweitgrößte und ein superhartes Material, das häufig als Werkzeugmaterial und Schleifmittel verwendet wird. BN ist beständig gegen chemische Angriffe und wird nicht durch anorganische Säuren und Wasser angegriffen. Die Bor-Stickstoff-Bindung wird in heißer konzentrierter Lauge aufgebrochen. Die Oxidation beginnt an der Luft bei 1200 Grad. Die Zersetzung beginnt im Vakuum bei etwa 2700 Grad. Schwer löslich in brennender Säure, unlöslich in kaltem Wasser, relative Dichte 2,29. Die Druckfestigkeit beträgt 170 MPa. Die maximale Betriebstemperatur beträgt 900 Grad in einer oxidierenden Atmosphäre und 2800 Grad in einer inaktiven reduzierenden Atmosphäre, aber die Schmierleistung ist bei Raumtemperatur schlecht. Die meisten Eigenschaften von BN sind besser als bei Kohlenstoffmaterialien. Für HBN: niedriger Reibungskoeffizient, gute Hochtemperaturstabilität, gute Hitzeschockbeständigkeit, hohe Festigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedriger Ausdehnungskoeffizient, hoher spezifischer Widerstand, Korrosionsbeständigkeit, Mikrowellen- oder Infrarotdurchlässigkeit.
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Chemische Formel |
BN |
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Genaue Masse |
25 |
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Molekulargewicht |
25 |
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m/z |
25 (100.0%), 24 (24.8%) |
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Elementaranalyse |
B, 43.56; N, 56.44 |
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Materialeigenschaften
CBN ist normalerweise ein schwarzer, brauner oder dunkelroter Kristall mit Sphaleritstruktur und guter Wärmeleitfähigkeit. Es hat die höchste Härte nach Diamant und ist ein superhartes Material, das häufig als Werkzeugmaterial und Schleifmittel verwendet wird.
Bornitridist chemikalienbeständig und wird durch anorganische Säuren und Wasser nicht angegriffen. Die Bor-Stickstoff-Bindung wird in heißer konzentrierter Lauge aufgebrochen. Die Oxidation beginnt in der Luft oberhalb von 1200 Grad. Die Zersetzung beginnt im Vakuum bei etwa 2700 Grad. In heißer Säure schwer löslich, in kaltem Wasser unlöslich, mit einer relativen Dichte von 2,29. Beim Kochen mit Wasser erfolgt die Hydrolyse sehr langsam und es entstehen geringe Mengen Borsäure und Ammoniak. Es reagiert bei Raumtemperatur nicht mit schwachen Säuren und starken Basen und ist in heißen Säuren schwer löslich. Es kann sich nur zersetzen, wenn es mit geschmolzenem Kaliumhydroxid behandelt wird, und Chlor kann nur unter glühenden Bedingungen damit reagieren.
Die Druckfestigkeit beträgt 170 MPa. Die maximale Betriebstemperatur unter oxidierender Atmosphäre beträgt 900 Grad, während sie unter nicht reaktiver reduzierender Atmosphäre 2800 Grad erreichen kann, aber die Schmierleistung ist bei Raumtemperatur schlecht. Die meisten Eigenschaften von BN sind denen von Kohlenstoffmaterialien überlegen. Für HBN: niedriger Reibungskoeffizient, gute Hochtemperaturstabilität, gute Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Festigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedriger Ausdehnungskoeffizient, hoher elektrischer Widerstand, Korrosionsbeständigkeit, Mikrowellen- oder Infrarottransparenz.
Materialstruktur
Das hexagonale BN-Kristallsystem, am häufigsten Graphitgitter, weist auch amorphe Varianten auf. Neben der hexagonalen Kristallform gibt es noch andere Kristallformen von BN, darunter r-BN, c-BN und w-BN. Man hat sogar zwei-dimensionale BN-Kristalle entdeckt, die dünnen Graphit ähneln.
Das allgemein produzierteBornitridhat eine graphitartige Struktur, die allgemein als weißer Graphit bekannt ist. Ein anderer Typ ist der Diamanttyp, der dem Prinzip der Umwandlung von Graphit in Diamant ähnelt. Graphittyp BN kann bei hoher Temperatur (1800 Grad) und hohem Druck (8000 MPa) [5-18 GPa] in Diamanttyp BN umgewandelt werden. Es handelt sich um eine neue Art von hochtemperaturbeständigem, superhartem Material, das zur Herstellung von Bohrern, Schleifwerkzeugen und Schneidwerkzeugen verwendet wird.
Zubereitungsmethode
Im Jahr 1957 synthetisierte Wentorf erstmals kubisches BN künstlich. Wenn die Temperatur 1700 Grad erreicht oder überschreitet und der Mindestdruck 11–12 GPa beträgt, wandelt sich reines HBN direkt in CBN um. Anschließend wurde entdeckt, dass der Einsatz von Katalysatoren die Übergangstemperatur und den Übergangsdruck deutlich senken kann. Zu den üblicherweise verwendeten Katalysatoren gehören Alkali- und Erdalkalimetalle, Alkali- und Erdalkalinitride, Erdalkalifluornitride, Ammoniumboratsalze und anorganische Fluoride. Die für die Verwendung von Ammoniumborat als Katalysator erforderlichen Temperaturen und Drücke sind mit einem Druck von 5 GPa bei 1500 Grad und einem Temperaturbereich von 600–700 Grad bei 6 GPa am niedrigsten. Daraus ist ersichtlich, dass durch die Zugabe von Katalysatoren zwar die Umwandlungstemperatur und der Umwandlungsdruck stark gesenkt werden können, die erforderliche Temperatur und der erforderliche Druck jedoch immer noch relativ hoch sind. Daher ist die Ausrüstung für seine Herstellung komplex, die Kosten hoch und seine industrielle Anwendung begrenzt.
1979 stellte Sokolowski erfolgreich CBN-Filme mithilfe der gepulsten Plasmatechnologie bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck her. Die verwendete Ausrüstung ist einfach und der Prozess leicht zu implementieren, was zu einer schnellen Entwicklung geführt hat. Es sind mehrere Methoden der Dampfabscheidung entstanden. Traditionell bezieht sich der Begriff hauptsächlich auf die thermochemische Gasphasenabscheidung. Der Versuchsaufbau besteht im Allgemeinen aus hitzebeständigen Quarzrohren und Heizgeräten. Das Substrat kann entweder durch einen Heizofen (Heißwand-CVD) oder durch Hochfrequenz-Induktionserwärmung (Kaltwand-CVD) erhitzt werden. Das Reaktionsgas zersetzt sich auf der Oberfläche des Hochtemperatursubstrats und unterliegt einer chemischen Reaktion, um einen Film abzuscheiden. Das Reaktionsgas ist eine Mischung aus BCl3 oder B2H6 und NH3.
Bei dieser Methode wird Wasser als Reaktionsmedium in einer Reaktionsumgebung mit hoher{0}}Temperatur und hohem-Druck in einem Autoklaven verwendet, wodurch Substanzen, die normalerweise unlöslich oder schwer löslich sind, gelöst werden können. Die Reaktion kann auch einer Umkristallisation unterliegen. Die hydrothermale Technologie zeichnet sich durch zwei Eigenschaften aus: Erstens hat sie eine relativ niedrige Temperatur und zweitens wird sie in einem geschlossenen Behälter durchgeführt, um eine Verflüchtigung der Komponenten zu vermeiden. Als Synthesemethode bei niedriger-Temperatur und niedrigem-Druck wird sie zur Synthese von kubischem BN bei niedrigen Temperaturen verwendet.
Als kürzlich aufkommende Methode zur Synthese von Niedertemperatur-Nanomaterialien hat die thermische Benzolsynthese große Beachtung gefunden. Aufgrund seiner stabilen konjugierten Struktur ist Benzol ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für die Solvothermalsynthese und wurde kürzlich erfolgreich zu einer thermischen Synthesetechnik für Benzol weiterentwickelt, wie in der Reaktionsgleichung dargestellt:
BCl3 + Li3N → BN + 3LiCl
Oder BBr3+Li3N → BN+3LiBr
Die Reaktionstemperatur beträgt nur 450 Grad und die thermische Synthesetechnologie von Benzol kann eine metastabile Phase herstellen, die nur unter extremen Bedingungen und ultrahohem Druck bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken existieren kann. Diese Methode ermöglicht die Herstellung kubischer Produkte bei niedriger-Temperatur und niedrigem-DruckBornitrid. Allerdings befindet sich diese Methode noch im experimentellen Forschungsstadium und ist eine Synthesemethode mit großem Anwendungspotenzial.
Selbstvermehrende Technologie
Durch die Nutzung externer Energie zur Auslösung stark exothermer chemischer Reaktionen kommt es im System zu lokalen Reaktionen, die eine chemische Reaktionsfront (Verbrennungswelle) bilden. Die chemische Reaktion schreitet mit Unterstützung der eigenen Wärmefreisetzung schnell voran und die Verbrennungswelle breitet sich im gesamten System aus. Obwohl es sich bei dieser Methode um eine traditionelle anorganische Synthesemethode handelt, wurde sie erst in den letzten Jahren für die Synthese von BN beschrieben.
Ionenstrahl-Sputtertechnologie
Mithilfe der Partikelstrahl-Sputter-Abscheidungstechnologie wird ein Mischprodukt aus kubischem BN und hexagonalem BN erhalten. Obwohl diese Methode weniger Verunreinigungen aufweist, ist die Morphologie des Produkts aufgrund der schwierigen Kontrolle der Reaktionsbedingungen schwer zu kontrollieren. Es besteht noch großes Potenzial für die Weiterentwicklung der Forschung zu dieser Methode.
Kohlenstoff-Thermosynthese-Technologie
Bei dieser Methode werden Borsäure als Rohmaterial, Kohlenstoff als Reduktionsmittel und Ammoniakgas verwendet, um BN auf der Oberfläche von Siliziumkarbid zu nitrieren. Das resultierende Produkt weist eine hohe Reinheit und einen großen Anwendungswert für die Herstellung von Verbundwerkstoffen auf.
Laser-induzierte Reduktionsmethode
Verwendung eines Lasers als externe Energiequelle, um Redoxreaktionen zwischen Reaktionsvorläufern auszulösen und B und N zu kombinieren, um BN zu erzeugen. Diese Methode erzeugt jedoch auch eine Mischphase.
1. Formtrennmittel für die Metallumformung und Schmiermittel für das Metallziehen.
2. Spezielle Elektrolyt- und Widerstandsmaterialien unter Hochtemperaturbedingungen.
3. Hochtemperatur-Festschmierstoffe, Extrusions-Verschleißschutzadditive, Additive zur Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe, feuerfeste Materialien und Antioxidationsadditive, insbesondere für Anwendungen, die der Korrosion geschmolzener Metalle widerstehen, Additive zur thermischen Verbesserung und hochtemperaturbeständige Isoliermaterialien.
4. Heißsiegel-Trockenmittel für Transistoren und Additive für Polymere wie Kunststoffharze.
5. In verschiedene Formen von BN-Produkten gepresst, die als Hoch-Temperatur-, Hoch-Spannungs-, Isolations- und Wärmeableitungskomponenten verwendet werden können.
6. Wärmeschutzmaterialien in der Luft- und Raumfahrt.
7. Unter Beteiligung eines Katalysators kann es durch Behandlung bei hoher-Temperatur und hohem-Druck in kubisches BN umgewandelt werden, das so hart wie Diamant ist.
8. Strukturmaterialien von Atomreaktoren.
9. Strahldüsen für Flugzeug- und Raketentriebwerke.
10. Isolatoren für Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Plasmalichtbögen.
11. Verpackungsmaterialien, die Neutronenstrahlung verhindern.
12. Ein aus BN verarbeitetes superhartes Material, das zur Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeugen und Bohrern für die geologische Erkundung und Ölförderung verwendet werden kann.
Nicht nur ein traditionelles Cyber- und Einwanderungsunternehmen
13. Trennringe in der Metallurgie für Stranggussstahl, Strömungsschlitze für amorphes Eisen und Trennmittel für Stranggussaluminium (verschiedene optische Glastrennmittel).
14. Stellen Sie Verdampfungsboote für die Aluminiumbeschichtung verschiedener Kondensatorfolien, Aluminiumbeschichtungen für Kathodenstrahlröhren, Aluminiumbeschichtungen für Displays usw. her.
15. Verschiedene frisch-haltende, mit Aluminium überzogene Verpackungsbeutel usw.
16. Verschiedene fälschungssichere Laser--Aluminiumbeschichtungen, markenrechtlich geschützte Heißprägematerialien, verschiedene Zigarettenetiketten, Bieretiketten, Verpackungsschachteln, Zigarettenverpackungsschachteln mit Aluminiumbeschichtung usw.
17. Als Füllstoffe für Lippenstifte werden Kosmetika verwendet, die ungiftig, gleitfähig und glänzend sind.
Bornitridwurde vor über 100 Jahren eingeführt. Seine früheste Anwendung war hexagonales BN als Hochtemperaturschmiermittel. Seine Struktur und Eigenschaften sind denen von Graphit sehr ähnlich, außerdem ist es reinweiß, daher wird es allgemein als „weißer Graphit“ bezeichnet.
BN-Keramik wurde bereits 1842 entdeckt. Seit dem Zweiten Weltkrieg wurden im Ausland umfangreiche Forschungen zu BN-Materialien durchgeführt, und erst 1955 wurde das BN-Heißpressverfahren entwickelt. Die American Diamond Company und die United Carbon Company waren die ersten, die mit der Produktion begannen und bis 1960 über 10 Tonnen produzierten.
Im Jahr 1957 war RH Wentrof der erste, der CBN erfolgreich entwickelte. 1969 verkaufte General Electric es als Borazon und 1973 kündigten die USA die Produktion von CBN-Schneidwerkzeugen an.
1975 importierte Japan Technologie aus den Vereinigten Staaten und stellte auch CBN-Schneidwerkzeuge her.
1979 wurde die gepulste Plasmatechnologie erstmals erfolgreich eingesetzt, um kollabierte c-BN-Dünnfilme bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck herzustellen.
In den späten 1990er Jahren gelang es Menschen, mithilfe verschiedener Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) c-BN-Dünnfilme herzustellen.
Aus innenpolitischer Sicht hat die Entwicklung in China rasche Fortschritte gemacht. Die Forschung zu BN-Pulver begann 1963, wurde 1966 erfolgreich entwickelt und 1967 in Produktion genommen und in Chinas Industrie und Spitzentechnologie eingesetzt.
Alles, was Sie wissen müssen
Wofür wird Bornitrid verwendet?
Bornitrid-Produkte werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Stahl- und Gießereiproduktion. Herstellung von Hochtemperaturöfen. Mikroelektronik- und Halbleiterindustrie.
Ist Bornitrid gut für die Haut?
Als synthetisches ProduktEs ist chemisch stabil und bekanntermaßen sicher und sanft zur Haut. Aufgrund eines streng kontrollierten Herstellungsprozesses ist Tokuyama h-BN äußerst rein und enthält nur sehr wenig lösliches Bor. Entspricht den japanischen Standards 2021 für quasi-Arzneimittelinhaltsstoffe.
Ist Bornitrid lebensmittelecht?
Bornitrid ist eine echte und gesunde Alternative (NSF-zertifiziert für den Lebensmittelkontakt) zu PTFE oder Teflon, das aufgrund seiner hervorragenden Schmiereigenschaften auch als Füllstoff in Polymeren eingesetzt werden kann.
Ist Bornitrid stärker als Diamant?
Es wurde berichtet, dass dies der Fall sei18%stärker als Diamant. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 Grad [77 Grad F], 100 kPa). Aufgrund der hervorragenden thermischen und chemischen Stabilität werden Bornitridkeramiken in Hochtemperaturgeräten und beim Metallguss verwendet.
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