Boro nitruro hexagonala: industriako "harribitxi multitalentuduna" aplikazio polifazetikoekin!

Boro nitruro hexagonala (h-BN)Hainbat propietate bikain ditu. Zeramikazko material estruktural nagusi gisa, hainbat arlotan erabili izan da arrakastaz. Ikerketa zabalari esker, h-BN-ren propietate funtzionalak pixkanaka garatu dira, energia berrian eta elektronikan aplikazio-aukera zabalak erakutsiz. Gainera, propietate estruktural eta funtzional integratuak behar dituzten zerbitzu-ingurune gogor batzuetarako, h-BN ere hautagai-material aproposa da.

Boro nitruro hexagonalaren propietateen azterketa

1. Ezaugarri termikoak

h-BN-k tenperatura altuko egonkortasun ona erakusten du. Presio atmosferiko estandarraren pean, ez du urtze-puntu bereizirik eta 3000 °C-tik gora sublimatzen da. Nitrogeno edo argon atmosferan, h-BN-ren beroarekiko erresistentzia-tenperatura 2800 °C-ra irits daiteke bigundu gabe; atmosfera neutro edo erreduzitzaileetan, bere beroarekiko erresistentzia 2000 °C-ra ere irits daiteke. Hala ere, oxigeno atmosferan oxidatzeko joera du, urtze-puntu baxuko boro oxidoa sortuz, eta horrek egonkortasun eskasa dakar, eta, oro har, bere erabilera-tenperatura 900 °C-tik behera mugatuz.

h-BN-k eroankortasun termiko bikaina du. Beroan prentsatutako trinkoaren eroankortasun termikoa giro-tenperaturan Zeramika masiboak 50 W/(m·K) baino gehiago izan daiteke, eta hori bigarren postuan dago zeramikazko materialen artean, berilio oxidoaren eta aluminio nitruroaren atzetik, eta altzairuarenaren antzekoa da. Aipatzekoa da h-BN zeramiken eroankortasun termikoa ez dela nabarmen jaisten tenperatura handitzen den heinean. 600 °C-tik gora, bere eroankortasun termikoa BeO-rena baino handiagoa da. 1000 °C-tan, c ardatzaren lerrokatze norabidearekiko perpendikularra den eroankortasun termikoa 27 W/(m·K) ingurukoa da, isolatzaile elektriko gehienek baino handiagoa (sinterizazio beroko h-BN-k testura-ezaugarriak erakusten ditu, eta horrek errendimendu-aldeak eragiten ditu norabide ezberdinetan). h-BN oinarritutako konposite zeramiken dentsitatea hobetzen bada sinterizazio-laguntzaileak, fase aldatzaileak eta abar gehituz, bere eroankortasun termikoa are gehiago hobetzea espero da.

h-BN zeramiken hedapen termikoaren koefizientea (CTE) ere nahiko baxua da. Sinterizazioaren ondoren ehundura nabarmenik gabeko zeramika masiboetarako, CTE (2.5~4) × 10^-6 K^-1 da. Hala ere, aleen lehentasunezko orientazio nabarmena duten h-BN zeramika testuratuetarako, c ardatzaren lerrokadurarekiko perpendikularra den norabidean CTE 1 × 10^-6 K^-1 baino txikiagoa da oro har, c ardatzaren lerrokadurarekiko paraleloan dagoen CTE nabarmen handitzen den bitartean, 10 × 10^-6 K^-1 baino gehiagora iritsiz, bi norabideen artean hamar aldiz baino gehiagoko aldearekin.

Eroankortasun termiko handiari, CTE baxuari eta elastikotasun-modulu baxuari esker, h-BN zeramikek erresistentzia termiko bikaina erakusten dute, osotasuna mantenduz kolpe termiko gogor errepikatuen ondoren ere. Adibidez, beroan prentsatutako h-BN zeramikazko lagin batek, 1000 °C-tan 20 minutuz mantendu eta berehala airera eraman ondoren hozteko edo giro-tenperaturara haizagailu bidez hoztu ondoren, ehunka ziklo errepikatu jasan ditzake pitzatu edo huts egin gabe, nahiz eta bere erresistentzia apur bat gutxitu daitekeen.

2. Ezaugarri elektrikoak

h-BN isolatzaile elektriko ona da bai giro-tenperaturan bai tenperatura altuetan. Ingurune lehorretan, purutasun handiko h-BN zeramiken erresistentzia 10^16 ~ 10^18 Ω·cm-ra irits daiteke, eta 1000 °C-tan ere, erresistentzia 10^4 ~ 10^6 Ω·cm-tan mantendu daiteke (Oharra: Jatorrizko testuak akats ortografiko bat izan dezake; 10^16-10^18 Ω·cm 1000 °C-tan ez dirudi errealista isolatzaile batentzat. h-BNren tenperatura altuko erresistentziaren balio tipikoak txikiagoak dira, adibidez, 10^4-10^6 Ω·cm 1000 °C inguruan. Itzulpenak testua islatzen du, baina arazo potentziala adierazten du). Hala ere, erresistentzia zertxobait gutxitzen da hezetasuna handitzen den hezetasunarekin. h-BNk haustura-tentsio handia du, 30 ...~40 kV/mm-koa da, eta horrek maiztasun handiko, tentsio handiko eta tenperatura altuko isolamendurako hautagai aproposa bihurtzen du. h-BN-ren konstante dielektrikoa (ε) 3tik 5era bitartekoa da, eta galera dielektrikoa (tan δ) (2~8) × 10^-4, eta hori ere nahiko txikia da zeramikazko materialen artean.

3. Ezaugarri kimikoak

h-BN-k egonkortasun kimiko bikaina erakusten du. Ur hotzetan disolbaezina da eta oso poliki hidrolizatzen da ur irakinetan, azido boriko eta amoniako kantitate txikiak sortuz. h-BN-k korrosioarekiko erresistentzia handia du hainbat azido ez-organiko, base, gatz-soluzio eta disolbatzaile organikoren aurrean. Egonkortasun bikaina erakusten du azido eta base gehienetan, ez du erreakzionatzen azido ahulekin eta base sendoekin giro-tenperaturan, eta azido sulfuriko kontzentratuan, azido nitrikoan, azido fosforikoan, etab. 7 egunez murgilduta dauden laginen masa-galera-tasa % 10 baino txikiagoa da. Azido beroek apur bat korroditzen dute eta sodio hidroxido (NaOH), potasio hidroxido (KOH) etab. urtuarekin tratatzen denean bakarrik deskonposatzen da. Gainera, h-BN-k ez du metal eta beira gehienen tenperatura altuko urtuekin bustitzen ezta erreakzionatzen ere, hainbat metal urtzeko erabiltzen diren gurutzeetarako material aproposa bihurtuz.

Boro nitruro hexagonalaren aplikazioak

1. Aeroespazio Arloa

Bere egonkortasun termiko handia eta galera dielektriko txikia direla eta, h-BN tenperatura altuko radomoak/leihoak fabrikatzeko material egokienetako bat da. Gogortasun txikia eta euri-higaduraren aurkako erresistentzia eskasa bezalako arazoak baditu ere, h-BN zeramikak material hauekin konbinatzea... Silizio nitruroa edo silizio oxidoak sinterizazio-ezaugarriak hobetu eta osagai bakoitzaren abantailak konbinatu ditzake, bero-babeserako, karga-euskarrirako eta uhin-transmisiorako eskakizunak betez Mach zenbaki handiko hegaldi-baldintzetan radomo/leiho osagaietarako.

Satelite eta espazio sakoneko zundaren jarreraren kontrolean, orbitaren txertatzean, transferentzian eta mantentze-misioetan erabiltzen diren Hall propultsore elektrikoetarako, osagai nagusiak, deskarga-kanala/isolatzaile materialak, bero-erresistentzia ona, ziklo-kolpe termikoarekiko erresistentzia, tenperatura altuko isolamendu elektrikoa, ioien ihinztaduraren higaduraren aurkako erresistentzia eta bigarren mailako elektroien isurketa-koefiziente egokia behar ditu. h-BN Zeramikak dira osagai hauek prestatzeko material egokiena. Errusiak, Japoniak, AEBek eta EBk ikerketa zabala egin dute Hall propultsoreen osagaietarako h-BN serieko material zeramikoei buruz, eta aplikazio arrakastatsuak lortu dituzte erlazionatutako espazio-ontzietan. Txinak, gainera, Hall propultsoreen eta haien h-BN osagaien orbitan baliozkotze esperimentala burutu du erlazionatutako satelite-ereduetan.

2. Industria Metalurgikoa

h-BN eta bere zeramika konposatuak aspalditik erabili izan dira tenperatura altuko material errefraktario gisa, hala nola TiB2-AlN-BN zeramika konposatuen lurruntze-ontziak, Si3N4-BN haustura-eraztunak, metal berezietarako tenperatura altuko elektrolisi-zelulak, tenperatura altuko gurutzak eta galdaketa-moldeak. Ikerketa sakondu eta aplikazio-beharrak zabaldu ahala, zeramika-material sorta honen errendimendua nabarmen hobetu da, eta haien aplikazio-eremuak gero eta zabalagoak dira.

Banda meheko galdaketa jarraitua altzairuzko banda meheen ekoizpen-prozesu berria da. Bero-ijezketa tradizionalarekin alderatuta, abantailak eskaintzen ditu, hala nola ekipamendu-inbertsio txikiagoa, ekoizpen-prozesu sinpleagoak, energia-kontsumo txikiagoa eta produktuaren kostu murriztua. Alboko presak funtsezko zigilatze-gailuak dira, galdaketa-erroiluen bi muturretan gehitzen direnak, bien artean metal urtuaren putzu bat osatzeko. Metal urtua mugatzeko, banda meheen eraketa sustatzeko eta bandaren ertzaren kalitatea bermatzeko funtzioa dute. Beharrezko materialak erresistentzia termiko ona izan behar du, altzairu urtuaren higaduraren aurkako erresistentzia, tenperatura altuko bolumen-egonkortasuna, altzairu urtuak busti ez dezan eta higadura-erresistentzia egokia. Material errefraktario tradizionalekin, kuartzo urtuarekin, zirkoniarekin eta beste material batzuekin egindako proben ondoren, h-BN material itxaropentsuena dela aitortu da. Japonia, AEB, Errusia eta Alemania bezalako teknologia metalurgikoko herrialde nagusiek ikerketa sistematikoa egin dute h-BN konposite zeramikoko alboko presetan, hainbat serie garatuz, hala nola SiAlON-BN, Si3N4-BN, AlN-BN, ZrO2-BN. Txinako ikerketa-erakunde garrantzitsuek ere proba esperimentalak egin dituzte simulatutako lan-baldintzetan.

3. Elektronika Industria

h-BN, bere isolamendu handiari eta eroankortasun termiko handiari esker, zirkuitu elektronikoetan beroa kudeatzeko osagai gisa erabil daiteke. Lurrun-deposizio kimikoaren edo fase likidoko esfoliazioaren bidez prestatutako geruza bakarreko edo geruza gutxiko h-BN nanomaterialak txiparen gainazalean aplikatzeak babesa eman dezake. Gainera, bere bi dimentsioko egitura bereziak sortzen duen alboko bero-transferentzia gaitasun bikaina aprobetxatuz, potentzia handiko gailu elektronikoetako puntu bero lokaletatik beroa azkar xahutu dezake alboko norabidean, tokiko tenperatura maximoa murriztuz, eta horrela gailuaren iraupena eta fidagarritasuna hobetuz. Horrez gain, h-BN hautsa polimeroentzako betegarri aproposa da. Erretxinetan, kautxuetan, plastikoetan eta abar gehitzeak eroankortasun termikoa handitu eta isolamendu-ezaugarriak hobetu ditzake, eta hori funtsezkoa da polimero-materialak gailu elektroniko malguetan aplikatzeko.

Azken urteotan, grafenoari buruzko ikerketa gero eta arreta handiagoa jarri denez, bi dimentsioko boro nitruro nanoxaflek ere arreta handia piztu dute. Antzeko egiturak baina propietate elektriko oso desberdinak dituztelako (h-BN isolatzailea izanik), geruzaz geruza txandaka pilatzeak kalitate handiko heteroegitura planarrak sor ditzake. Heteroegitura hauek sare-desadostasun txikia, eramaileen mugikortasun handia eta banda-tarte sintonizagarria dituzte, eta aplikazio-aukera zabalak dituzte maiztasun handiko transistoreetan eta mikro/nano egituretan oinarritutako gailu fotonikoetan.

4. Beste eremu batzuk

h-BN-k aplikazio zabalak ditu beste arlo batzuetan ere:

• Boroa duten konposatuek neutroi erradiazioen aurkako babes-ezaugarri batzuk dituzte; h-BN neutroi erradiazioa saihesteko ontziratze-materialetan eta erreaktore atomikoetako egitura-osagaietan ere erabil daiteke.

• h-BN-ren tenperatura altuko erresistentzia, egonkortasun kimiko eta tenperatura altuko lubrifikazio-propietate onek tenperatura altuko lubrifikatzaile, molde askatzaile edo urtutako materialen itsaspenaren aurkako agente gisa aplikagarri bihurtzen dute.

• Azken ikerketek adierazten dute h-BN mota desberdinek erreakzio sorta bat abiarazi edo kataliza dezaketela zenbait erradikal eratuz, besteak beste, azetileno hidroklorazioa eta propano deshidrogenazioa. Beraz, ez da katalizatzaile euskarri gisa bakarrik balio dezake, baita zuzenean erreakzio katalitikoetan ere aplika daiteke dopaketaren, aldaketaren eta abarren bidez, aplikazio potentzial ona erakutsiz.