Multifunktionales Bornitrid
BornitridBornitrid ist ein Kristall, der aus Stickstoff- und Boratomen besteht. Neben dem allgemein bekannten hexagonalen Bornitrid (weißer Graphit) gibt es auch kubisches Bornitrid (CBN), rhomboedrisches Bornitrid (RBN) und Wurtzit-Bornitrid (WBN). Wissenschaftler haben sogar zweidimensionale Bornitridkristalle mit graphenähnlichen Eigenschaften entdeckt. Die verschiedenen Bornitridvarianten weisen jeweils spezifische Merkmale und Anwendungsgebiete auf. Am Beispiel des hexagonalen weißen Graphits lässt sich zeigen, dass die von Stickstoff- und Boratomen gebildete hexagonale Gitterstruktur der hexagonalen Gitterstruktur von Kohlenstoffatomen im Graphit bemerkenswert ähnlich ist und daher in bestimmten Aspekten ähnliche Eigenschaften aufweist, beispielsweise Hitzebeständigkeit. Verschleißfestigkeitund Schmierfähigkeit. Weißer Graphit besitzt jedoch auch einige einzigartige Eigenschaften; so leitet beispielsweise Graphit sowohl Wärme als auch Elektrizität, weißer Graphit hingegen nur Wärme.
Das Handy ist überhitzt; wie wäre es mit etwas Bornitrid?
Bornitrid zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und hervorragende Isolationseigenschaften aus und ist zudem korrosionsbeständig und hochtemperaturbeständig. Die Wärmeleitfähigkeit von hexagonalem Bornitrid beträgt 56,94 Watt pro Meter und Grad Celsius, die von kubischem Bornitrid 79,54 Watt pro Meter und Grad Celsius – nur Diamant weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Eine ausländische Studie zeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit von einlagigem hexagonalem Bornitrid bei Raumtemperatur bis zu 751 Watt pro Meter und Grad Celsius erreichen kann. Dies macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für das Wärmemanagement flexibler Elektronikgeräte der nächsten Generation. Effektives Wärmemanagement ist für hochdichte und leistungsstarke Elektronikprodukte unerlässlich. Beispielsweise sind mit der Verbreitung der LED-Technologie sogenannte „landwirtschaftliche Fabriken“ entstanden. Um den Mangel an Sonnenlicht auszugleichen, hat sich der Einsatz von LED-Pflanzenlampen als Ersatz für Sonnenlicht als ausgereifte Lösung etabliert.
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Statten Sie die „elektrische Rakete“ mit einem „Keramikherz“ aus.
Mit dem Start und dem Erreichen der Umlaufbahn des Kernmoduls der chinesischen Raumstation „Tianhe“ rückte das „keramische Herzstück“ des Hall-Triebwerks in den Fokus des Interesses. Dieses „keramische Herzstück“ besteht aus weißem Graphit-Verbundwerkstoff. Traditionell setzte die Menschheit bei ihren Weltraummissionen auf chemische Antriebe, die Schub durch die Verbrennung chemischer Treibstoffe erzeugen. Nach dem Erreichen der Umlaufbahn ist zusätzlicher Antrieb erforderlich, um Bahn- und Lagekorrekturen zu ermöglichen. Dies erfordert die Mitführung von chemischem Treibstoff oder eine Betankung im Orbit. Die Mitführung von chemischem Treibstoff erhöht jedoch nicht nur die Startkosten, sondern beeinträchtigt auch die Einsatzfähigkeit des Raumfahrzeugs bei Weltraummissionen. Vor diesem Hintergrund rückte die elektrische Antriebstechnologie zunehmend in den Vordergrund. Chinas Forschung auf diesem Gebiet begann in den 1960er Jahren, und nach jahrzehntelangen technologischen Anstrengungen wurden zahlreiche Durchbrüche erzielt. Im Januar 2020 absolvierte Chinas erster 20-kW-Hochleistungs-Hall-Antrieb erfolgreich seinen Zündtest und erreichte damit ein international fortschrittliches Niveau.
Die vier im Kernmodul „Tianhe“ installierten Hall-Effekt-Triebwerke nutzen die von den Solarzellen des Kernmoduls erzeugte elektrische Energie, um die Raumstation in ihrer Umlaufbahn zu halten und einen sicheren Flug zu gewährleisten. Hall-Effekt-Triebwerke sind eine Art Plasmaantrieb, der nach dem Prinzip arbeitet, Ionen mithilfe eines starken elektrischen Feldes zu beschleunigen und auszustoßen. Durch die entstehende Reaktionskraft ermöglichen sie die Lageregelung und Bahnkorrekturen. Hall-Effekt-Triebwerke zeichnen sich durch geringen Schub und hohen spezifischen Impuls aus. Der spezifische Impuls ist ein technischer Parameter zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Raketentreibstoffen; ein höherer spezifischer Impuls bedeutet, dass der Treibstoff unter bestimmten Bedingungen eine größere Geschwindigkeitszunahme bewirkt. Während sich die Raumstation in der Umlaufbahn befindet, führen die Auswirkungen der Mikrogravitation und der dünnen Atmosphäre im erdnahen Weltraum unweigerlich zu einem Bahnverfall. Für die Aufrechterhaltung der Umlaufbahn ist jedoch kein großer Schub erforderlich. Obwohl der elektrische Antrieb einen geringen Schub liefert, lässt er sich präzise steuern, was die Missionsdurchführung verbessert. Der hohe spezifische Impuls reduziert die Menge an chemischem Treibstoff, die das Raumschiff mitführen muss, erheblich und erweitert somit den Umfang möglicher Weltraummissionen.
Bei Hall-Effekt-Triebwerken müssen Ionisierung und Beschleunigung des Plasmas innerhalb der Entladungskammer erfolgen. Diese Triebwerke benötigen ein robustes „Herzstück“, um einen präzise einstellbaren Schub zu erzeugen. Für dieses robuste „Herzstück“ ist es unerlässlich, hohe Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Beständigkeit gegen Ionenzerstäubung und gute Isolationseigenschaften zu gewährleisten, um den rauen Betriebsbedingungen der Entladungskammer standzuhalten. Die vom Shenyang National Laboratory for Materials Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten Bornitrid-Keramik-Verbundwerkstoffe erfüllen die speziellen Anforderungen an Entladungskammermaterialien in elektrischen Triebwerken optimal.
Werde so hart wie Diamanten
Kubisches Bornitrid, bekannt für seine glatte Oberfläche, lässt sich auch härten. In den 1950er Jahren synthetisierten Wissenschaftler Einkristalle aus kubischem Bornitrid durch Strukturveränderung von weißem Graphit. Es handelt sich um ein superhartes Material, das nach der Erfindung synthetischer Diamanten entwickelt wurde. Seine Härte ist etwas geringer als die von Diamanten, jedoch weist es eine deutlich höhere Hochtemperaturbeständigkeit auf und zeigt insbesondere eine ausgezeichnete chemische Stabilität gegenüber eisenbasierten Metallen. In den 1970er Jahren wurde polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) eingeführt. PCBN besitzt eine sehr hohe Härte, die nur von Diamanten übertroffen wird; seine Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit liegen zwischen denen von Hartmetall und Keramik; seine thermische Stabilität übertrifft die von synthetischen Diamanten, sodass Schneidvorgänge bei 1300 °C durchgeführt werden können. Bei hohen Temperaturen von 1200 bis 1300 °C reagiert es weniger stark mit Eisenwerkstoffen. Kubisches Bornitrid, bekannt für seine Härte, dient hauptsächlich zwei Zwecken: der Herstellung von Schleifwerkzeugen wie Schleifscheiben und Ölsteinen sowie der Produktion von Schneidwerkzeugen wie Bohrern, Drehmeißeln, Spiralbohrern und Fräsern. Es ist besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung harter Werkstoffe wie gehärtetem Stahl, verschleißfestem Gusseisen und Titanlegierungen und eignet sich hervorragend für CNC-Werkzeugmaschinen.
Es kommen insbesondere spezielle Fachkenntnisse zum Einsatz, und die Aussichten für Bornitrid sind vielversprechend.
Die Silizium-basierte Halbleiterindustrie hat die Attraktivität moderner Elektronikprodukte maßgeblich unterstrichen. Allerdings stoßen elektronische Bauelemente aus Silizium-Halbleitern unter extremen Bedingungen, wie beispielsweise hohen Temperaturen, an ihre Grenzen. In diesem Zusammenhang haben die Eigenschaften von weißem Graphit – darunter seine große Bandlücke, hohe Wärmeleitfähigkeit, hoher spezifischer Widerstand und hohe Beweglichkeit – das Interesse der Wissenschaft geweckt. Insbesondere das Derivat von weißem Graphit, kubisches Bornitrid, gilt als vielversprechendes Halbleitermaterial der dritten Generation. Forschungseinrichtungen haben Hochtemperatur-PN-Übergangsbauelemente auf Basis von Bornitrid entwickelt, die bei Temperaturen bis zu 650 °C einwandfrei funktionieren. Dies erweitert die Perspektiven für die Herstellung von Elektronikbauelementen, die extremen Bedingungen standhalten, und weckt neue Hoffnungen in der Halbleiterindustrie.
Die Herstellung elektronischer Bauelemente, die extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen, hohen Frequenzen, hohen Leistungen und hoher Strahlung standhalten, mithilfe von Bornitridmaterialien birgt das Potenzial, zahlreiche Anwendungsherausforderungen in spezifischen Szenarien zu lösen. In den letzten Jahren hat sich die Herstellung von Bornitrid-Dünnschichten zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der Halbleitermaterialien entwickelt. Aufgrund ihrer hohen Härte und Wärmebeständigkeit sowie ihrer hohen Transmission über das gesamte Spektrum vom Ultravioletten bis zum Ferninfraroten eignen sich Bornitridfilme als Fenstermaterialien in Hochleistungslasern und Detektoren. Die Synthese von Bornitrid-Nanoröhren eröffnet darüber hinaus Möglichkeiten für fortschrittliche Anwendungen von Bornitridmaterialien. Bornitrid-Nanoröhren weisen Wärmedämmung, Oxidationsbeständigkeit sowie hohe Elastizität und Zähigkeit auf und sind daher vielversprechend für Anwendungen in Spezialbranchen wie der Luft- und Raumfahrt. Forschungseinrichtungen planen, Bornitrid-Nanoröhren in Lithium-Schwefel-Batterien einzusetzen, um deren Leistung zu verbessern und die Kommerzialisierung zu fördern.