Hexagonales Bornitrid: Das „vielseitige Juwel“ der Industrie mit vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten!

Hexagonales Bornitrid (h-BN)Es besitzt eine Reihe hervorragender Eigenschaften. Als primäres Strukturkeramikmaterial hat es sich in verschiedenen Anwendungsbereichen bewährt. Durch intensive Forschung wurden die funktionellen Eigenschaften von h-BN kontinuierlich weiterentwickelt, wodurch sich vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie neuen Energien und Elektronik ergeben. Darüber hinaus ist h-BN auch für anspruchsvolle Einsatzumgebungen, die integrierte Struktur- und Funktionseigenschaften erfordern, ein idealer Kandidat.

Analyse der Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid

1. Thermische Eigenschaften

h-BN weist eine gute Hochtemperaturstabilität auf. Unter Normaldruck besitzt es keinen ausgeprägten Schmelzpunkt und sublimiert oberhalb von 3000 °C. In Stickstoff- oder Argonatmosphäre kann die Hitzebeständigkeit von h-BN bis zu 2800 °C erreichen, ohne dass es erweicht; in neutralen oder reduzierenden Atmosphären beträgt die Hitzebeständigkeit bis zu 2000 °C. In Sauerstoffatmosphäre neigt es jedoch zur Oxidation, wobei niedrigschmelzendes Boroxid entsteht, was zu einer geringen Stabilität führt und die Anwendungstemperatur im Allgemeinen auf unter 900 °C begrenzt.

h-BN besitzt eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit von heißgepresstem, dichtem h-BN bei Raumtemperatur beträgt ... Massenkeramik Die Wärmeleitfähigkeit kann 50 W/(m·K) überschreiten und liegt damit an zweiter Stelle hinter Berylliumoxid und Aluminiumnitrid unter den Keramikwerkstoffen. Sie ist vergleichbar mit der von Stahl. Bemerkenswert ist, dass die Wärmeleitfähigkeit von h-BN-Keramiken mit steigender Temperatur nicht wesentlich abnimmt. Oberhalb von 600 °C ist sie höher als die von BeO. Bei 1000 °C beträgt die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur c-Achse etwa 27 W/(m·K) und ist damit höher als die der meisten elektrischen Isolatoren (heißgesintertes h-BN weist texturierte Eigenschaften auf, was zu Leistungsunterschieden in verschiedenen Richtungen führt). Durch die Zugabe von Sinterhilfsmitteln, Modifikatorphasen usw. zur Erhöhung der Dichte von h-BN-basierten Verbundkeramiken ist eine weitere Steigerung der Wärmeleitfähigkeit zu erwarten.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von h-BN-Keramiken ist ebenfalls relativ niedrig. Für massive Keramiken ohne signifikante Textur nach dem Sintern beträgt der CTE (2,5–4) × 10⁻⁶ K⁻¹. Bei texturierten h-BN-Keramiken mit ausgeprägter Kornvorzugsorientierung liegt der CTE senkrecht zur c-Achse im Allgemeinen unter 1 × 10⁻⁶ K⁻¹, während er parallel zur c-Achse deutlich ansteigt und Werte über 10 × 10⁻⁶ K⁻¹ erreicht. Der Unterschied zwischen den beiden Richtungen beträgt mehr als das Zehnfache.

Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihres geringen Elastizitätsmoduls weisen h-BN-Keramiken eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit auf und behalten ihre Integrität auch nach wiederholten, starken Temperaturwechseln. Beispielsweise kann eine heißgepresste h-BN-Keramikprobe, die 20 Minuten lang bei 1000 °C gehalten und anschließend sofort an der Luft abgekühlt oder mit einem Ventilator auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, Hunderte solcher Zyklen ohne Rissbildung oder Bruch überstehen, obwohl ihre Festigkeit geringfügig abnehmen kann.

2. Elektrische Eigenschaften

h-BN ist sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen ein guter elektrischer Isolator. In trockener Umgebung kann der spezifische Widerstand hochreiner h-BN-Keramiken 10^16 bis 10^18 Ω·cm erreichen und selbst bei 1000 °C noch bei 10^4 bis 10^6 Ω·cm liegen. (Anmerkung: Der Originaltext enthält wahrscheinlich einen Tippfehler; 10^16–10^18 Ω·cm bei 1000 °C erscheinen für einen Isolator unrealistisch. Typische Werte für den spezifischen Widerstand von h-BN bei hohen Temperaturen sind niedriger, z. B. 10^4–10^6 Ω·cm um 1000 °C. Die Übersetzung gibt den Originaltext wieder, weist aber auf das mögliche Problem hin.) Der spezifische Widerstand nimmt jedoch mit steigender Luftfeuchtigkeit etwas ab. h-BN besitzt eine hohe Durchschlagspannung von bis zu 30 V.~40 kV/mm, was es zu einem idealen Kandidatenmaterial für Hochfrequenz-, Hochspannungs- und Hochtemperaturisolierung macht. Die Dielektrizitätskonstante (ε) von h-BN liegt im Bereich von 3 bis 5, und der dielektrische Verlust (tan δ) beträgt (2~8) × 10^-4, was im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen ebenfalls relativ klein ist.

3. Chemische Eigenschaften

h-BN zeichnet sich durch hervorragende chemische Stabilität aus. Es ist in kaltem Wasser unlöslich und hydrolysiert in kochendem Wasser sehr langsam, wobei geringe Mengen Borsäure und Ammoniak entstehen. h-BN besitzt eine beachtliche Korrosionsbeständigkeit gegenüber verschiedenen anorganischen Säuren, Basen, Salzlösungen und organischen Lösungsmitteln. Es zeigt in den meisten Säuren und Basen ausgezeichnete Stabilität, reagiert bei Raumtemperatur nicht mit schwachen Säuren und starken Basen, und der Massenverlust von Proben, die 7 Tage lang in konzentrierter Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure usw. eingetaucht wurden, beträgt weniger als 10 %. Es wird von heißen Säuren leicht korrodiert und zersetzt sich nur bei Behandlung mit geschmolzenem Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH) usw. Darüber hinaus benetzt h-BN die Hochtemperaturschmelzen der meisten Metalle und Gläser nicht und reagiert auch nicht mit ihnen, wodurch es sich ideal für Tiegel zum Schmelzen verschiedener Metalle eignet.

Anwendungen von hexagonalem Bornitrid

1. Luft- und Raumfahrtbereich

Aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität und geringen dielektrischen Verluste eignet sich h-BN gut für die Herstellung von Hochtemperatur-Radomen/Fenstern. Obwohl es Nachteile wie geringe Härte und unzureichende Beständigkeit gegen Regenerosion aufweist, kann die Kombination von h-BN-Keramiken mit Materialien wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxid kann die Sintereigenschaften verbessern und die Vorteile jeder Komponente kombinieren, wodurch die Anforderungen an Hitzeschutz, Belastbarkeit und Wellenübertragung unter hohen Mach-Zahlen-Flugbedingungen für Radom-/Fensterkomponenten erfüllt werden.

Für Hall-Elektrotriebwerke, die in Satelliten und Tiefraumsonden zur Lageregelung, zum Einschwenken in die Umlaufbahn, zum Bahnübergang und zur Bahnwartung eingesetzt werden, muss die Schlüsselkomponente, das Entladungskanal-/Isolatormaterial, eine gute Hitzebeständigkeit, Beständigkeit gegen zyklische Temperaturschocks, elektrische Hochtemperaturisolierung, Beständigkeit gegen Ionenzerstäubung und einen geeigneten Sekundärelektronenemissionskoeffizienten aufweisen. h-BN Keramik ist Das am besten geeignete Material für die Herstellung dieser Komponenten. Russland, Japan, die USA und die EU haben umfangreiche Forschungen zu h-BN-Keramikwerkstoffen für Hall-Triebwerkskomponenten durchgeführt und erfolgreiche Anwendungen in entsprechenden Raumfahrzeugen erzielt. China hat zudem die experimentelle Validierung von Hall-Triebwerken und ihren h-BN-Komponenten im Orbit an entsprechenden Satellitenmodellen abgeschlossen.

2. Metallurgische Industrie

h-BN und seine Verbundkeramiken werden seit Langem als Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien eingesetzt, beispielsweise für Verdampfungsschiffchen aus TiB₂-AlN-BN-Verbundkeramik, Si₃N₄-BN-Brechringe, Hochtemperatur-Elektrolysezellen für Spezialmetalle, Hochtemperaturtiegel und Gießformen. Durch vertiefte Forschung und wachsende Anwendungsbedürfnisse konnten die Eigenschaften dieser Keramikwerkstoffe deutlich verbessert und ihre Anwendungsgebiete stetig erweitert werden.

Das Stranggießen von Dünnbandstahl ist ein neues Produktionsverfahren. Im Vergleich zum traditionellen Warmwalzen bietet es Vorteile wie geringere Investitionskosten für Anlagen, einfachere Produktionsprozesse, niedrigeren Energieverbrauch und reduzierte Produktkosten. Seitendämme sind entscheidende Dichtungselemente, die an beiden Enden der Gießwalzen angebracht werden, um ein Schmelzbad zwischen ihnen zu bilden. Sie dienen dazu, das Schmelzbad einzuschließen, die Dünnbandbildung zu fördern und die Kantenqualität des Bandes zu gewährleisten. Das erforderliche Material muss eine gute Temperaturwechselbeständigkeit, Beständigkeit gegen Schmelzkorrosion, Volumenstabilität bei hohen Temperaturen, Nichtbenetzbarkeit durch Schmelzbad und eine angemessene Verschleißfestigkeit aufweisen. Nach Versuchen mit traditionellen Feuerfestmaterialien, Quarzglas, Zirkonoxid und anderen Werkstoffen hat sich hochkristallines Bornitrid (h-BN) als vielversprechendstes Material erwiesen. Führende Länder der Metallurgie wie Japan, die USA, Russland und Deutschland haben systematische Forschungen zu h-BN-Verbundkeramik-Seitendämmen durchgeführt und verschiedene Serien wie SiAlON-BN, Si₃N₄-BN, AlN-BN und ZrO₂-BN entwickelt. Relevante Forschungseinrichtungen in China haben ebenfalls experimentelle Tests unter simulierten Arbeitsbedingungen durchgeführt.

3. Elektronikindustrie

Aufgrund seiner hohen Isolations- und Wärmeleitfähigkeit eignet sich h-BN als Wärmemanagementkomponente in elektronischen Schaltungen. Das Aufbringen von ein- oder mehrlagigen h-BN-Nanomaterialien, hergestellt durch chemische Gasphasenabscheidung oder Flüssigphasenexfoliation, auf Chipoberflächen bietet Schutz. Dank seiner einzigartigen zweidimensionalen Struktur und der damit verbundenen hervorragenden lateralen Wärmeleitfähigkeit kann es Wärme von lokalen Hotspots in Hochleistungselektronikbauteilen schnell und lateral ableiten. Dies reduziert die lokale Spitzentemperatur und erhöht somit die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Bauelemente. Darüber hinaus ist h-BN-Pulver ein idealer Füllstoff für Polymere. Die Zugabe zu Harzen, Gummi, Kunststoffen usw. erhöht die Wärmeleitfähigkeit und verbessert die Isolationseigenschaften, was für die Anwendung von Polymermaterialien in flexiblen elektronischen Bauelementen entscheidend ist.

In den letzten Jahren haben zweidimensionale Bornitrid-Nanoschichten, parallel zum zunehmenden Forschungsschwerpunkt Graphen, ebenfalls breite Aufmerksamkeit erlangt. Aufgrund ihrer ähnlichen Strukturen, aber stark unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften (h-BN ist ein Isolator), lassen sich durch abwechselndes Stapeln hochwertige planare Heterostrukturen erzeugen. Diese Heterostrukturen zeichnen sich durch geringe Gitterfehlanpassung, hohe Ladungsträgermobilität und einstellbare Bandlücke aus und bieten somit vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in Hochfrequenztransistoren und photonischen Bauelementen auf Mikro-/Nanobasis.

4. Andere Bereiche

h-BN findet auch in anderen Bereichen breite Anwendung:

• Borhaltige Verbindungen besitzen gewisse Eigenschaften zur Abschirmung von Neutronenstrahlung; h-BN kann auch in Verpackungsmaterialien zur Verhinderung von Neutronenbestrahlung und in Strukturbauteilen in Atomreaktoren verwendet werden.

• Die hohe Temperaturbeständigkeit, die chemische Stabilität und die guten Hochtemperatur-Schmiereigenschaften von h-BN machen es geeignet als Hochtemperaturschmierstoff, Trennmittel oder Antihaftmittel für Schmelzen.

• Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass verschiedene Formen von h-BN durch die Bildung bestimmter Radikale eine Reihe von Reaktionen initiieren oder katalysieren können, darunter die Acetylenhydrochlorierung und die Propandehydrierung. Daher eignet es sich nicht nur als Katalysatorträger, sondern kann durch Dotierung, Modifizierung etc. auch direkt in katalytischen Reaktionen eingesetzt werden, was ein hohes Anwendungspotenzial beweist.