Céramiques hexagonales en nitrure de bore : un matériau de plus en plus prisé dans divers secteurs industriels

1. Domaine aérospatial

Le h-BN présente une stabilité thermique élevée et de faibles pertes diélectriques, ce qui en fait un matériau adapté à la fabrication de couvercles/fenêtres d'antennes haute température. Malgré ses inconvénients tels qu'une faible dureté et une faible résistance à l'érosion par la pluie, l'incorporation de nitrure de siliciumL'incorporation d'oxyde de silicium et d'autres matériaux dans des céramiques h-BN améliore les caractéristiques de frittage tout en tirant parti des avantages de chaque composant. Cette approche composite permet de répondre aux exigences complexes de performance en matière de protection thermique, de résistance aux charges et de transmission des ondes des composants de couvercle/fenêtre d'antenne dans des conditions de vol à nombre de Mach élevé.

Pour les propulseurs à effet Hall utilisés dans le contrôle d'attitude, l'insertion en orbite, le transfert et la maintenance de satellites et de sondes spatiales, les composants clés de la tuyère doivent présenter une bonne résistance à la chaleur, aux chocs thermiques cycliques, une isolation électrique à haute température, une résistance à l'érosion par pulvérisation ionique et des coefficients d'émission d'électrons secondaires appropriés. La céramique h-BN est le matériau le plus adapté à la fabrication des composants de la tuyère. La Russie, le Japon, les États-Unis et l'Union européenne ont mené des recherches approfondies sur les matériaux céramiques de la série h-BN pour les tuyères de propulseurs à effet Hall et les ont utilisés avec succès dans des engins spatiaux. Notre pays a également réalisé des vérifications expérimentales en orbite de propulseurs à effet Hall et de leurs composants de tuyère sur des modèles de satellites et d'autres engins spatiaux.

2. Industrie métallurgique

Le h-BN et ses céramiques à phase complexe sont largement utilisés comme matériaux réfractaires haute température, tels que les creusets d'évaporation en céramique à phase complexe TiB₂-Al₃-BN, les anneaux de séparation Si₆N-BN, les électrolyseurs haute température pour métaux spéciaux, les dispositifs anti-effondrement haute température, les coquilles de coulée, etc. Grâce à l'approfondissement des recherches et à l'élargissement des besoins d'application, les performances de cette série de matériaux céramiques ont été considérablement améliorées et leurs domaines d'application se sont étendus de jour en jour.

La technologie de coulée continue de bandes minces est un nouveau procédé de production d'acier en bandes minces. Comparée au laminage à chaud traditionnel, elle présente l'avantage d'un investissement moindre en équipement, d'un processus de production simplifié, d'une faible consommation d'énergie et d'un coût de produit réduit. La plaque d'étanchéité latérale, un dispositif d'étanchéité essentiel, est ajoutée aux extrémités du rouleau de coulée pour former un bain de fusion entre les bandes. Ce bain permet de contenir le métal en fusion, de favoriser la formation des bandes minces et d'assurer la qualité de leurs bords. Le matériau utilisé doit présenter une bonne résistance aux chocs thermiques, à l'érosion par l'acier en fusion, une stabilité volumique à haute température et être non mouillable par l'acier en fusion. Résistance à l'usureAprès avoir constaté des problèmes d'oxydation avec divers matériaux tels que les réfractaires traditionnels et le quartz fondu, le nitrure de bore hexagonal (h-BN) s'est imposé comme le matériau le plus prometteur. Le Japon, les États-Unis, la Russie, l'Allemagne et d'autres puissances technologiques métallurgiques ont étudié de manière systématique les plaques d'étanchéité latérales en céramique complexe à base de h-BN, donnant naissance aux séries de matériaux SiAlON-BN, SiN-BN, AlN-BN, ZrO₂-BN et autres. Des instituts de recherche chinois ont également mené des essais expérimentaux en conditions de fonctionnement simulées.

3. Industrie électronique

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) possède d'excellentes propriétés d'isolation et de conductivité thermique, et peut être utilisé comme dispositif de gestion thermique dans les circuits électroniques. Appliqués sur la surface d'une puce sous forme de nanocouches ou de quelques couches de h-BN, préparés par dépôt chimique en phase vapeur ou par évaporation en phase liquide, ces matériaux assurent une protection efficace. De plus, leur structure bidimensionnelle particulière permet une excellente dissipation latérale de la chaleur, évacuant rapidement la chaleur des points chauds des dispositifs électroniques de puissance et réduisant ainsi la température maximale locale. Il en résulte une amélioration de la durée de vie et de la fiabilité du dispositif. Par ailleurs, la poudre de h-BN constitue une charge idéale pour les polymères. Ajoutée à la résine, au caoutchouc, aux plastiques et à d'autres matériaux, elle améliore leur conductivité thermique et leurs propriétés d'isolation, jouant un rôle important dans l'utilisation des polymères pour les dispositifs électroniques flexibles.

Ces dernières années, avec l'engouement croissant pour la recherche sur le graphène, les nanofeuilles bidimensionnelles de nitrure de bore ont également suscité un vif intérêt, car bien que leur structure soit similaire, leurs propriétés électriques sont très différentes. Elles peuvent être agencées couche par couche pour former des hétérojonctions planaires de haute qualité, caractérisées par un faible désaccord de maille, une mobilité élevée des porteurs, une bande passante ajustable et d'autres propriétés, offrant ainsi de larges perspectives d'application dans les micro-nanostructures des transistors haute fréquence et des dispositifs optoélectroniques.

4. Autres utilisations dans l'industrie

Le h-BN a également un large éventail d'applications dans d'autres domaines : les composés contenant du bore ont certaines propriétés anti-radiation neutronique, le h-BN peut également être utilisé dans les matériaux d'emballage pour empêcher l'irradiation neutronique, les pièces structurelles des réacteurs atomiques, etc. : le b-BN a une résistance aux hautes températures, une stabilité chimique et de bonnes propriétés de lubrification à haute température, de sorte qu'il peut être utilisé dans les lubrifiants à haute température ou les agents de démoulage, les agents antiadhésifs fondus, etc. ; Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) de haute pureté présente une bonne adhérence, une texture douce et lubrifiée, et un coefficient de friction inférieur à celui des poudres cosmétiques traditionnelles (telles que le talc, le mica, etc.). Il peut être utilisé comme charge dans les cosmétiques haut de gamme tels que les poudres, les rouges à lèvres, les gloss, les produits de soin de la peau, etc. Des études récentes ont montré que différentes formes de h-BN peuvent déclencher ou catalyser une série de réactions par la formation de radicaux libres, notamment la chloration de l'acétylène et la déshydrogénation du propane. Il peut donc servir de support pour les catalyseurs et, après modification, être directement appliqué aux réactions catalytiques, démontrant ainsi un fort potentiel d'application.