Nitruro de boro hexagonal: a "xoia multitalentosa" da industria con aplicacións versátiles!

Nitruro de boro hexagonal (h-BN)Posúe unha serie de excelentes propiedades. Como material cerámico estrutural primario, aplicouse con éxito en múltiples campos. Grazas a unha extensa investigación, as propiedades funcionais do h-BN tamén se desenvolveron gradualmente, mostrando amplas perspectivas de aplicación en áreas como as novas enerxías e a electrónica. Ademais, para certos ambientes de servizo agresivos que requiren propiedades estruturais e funcionais integradas, o h-BN tamén é un material candidato ideal.

Análise das propiedades do nitruro de boro hexagonal

1. Propiedades térmicas

O h-BN presenta unha boa estabilidade a altas temperaturas. A presión atmosférica estándar, non ten un punto de fusión distinto e sublima por riba dos 3000 °C. En atmosferas de nitróxeno ou argon, a temperatura de resistencia á calor do h-BN pode alcanzar ata os 2800 °C sen abrandarse; en atmosferas neutras ou redutoras, a súa resistencia á calor tamén pode alcanzar os 2000 °C. Non obstante, é propenso á oxidación en atmosferas de osíxeno, formando óxido de boro de baixo punto de fusión, o que leva a unha mala estabilidade, xeralmente limitando a súa temperatura de uso a menos de 900 °C.

h-BN posúe unha excelente condutividade térmica. A condutividade térmica a temperatura ambiente do plástico denso prensado en quente Cerámica a granel pode superar os 50 W/(m·K), o que só ocupa o segundo lugar entre os materiais cerámicos despois do óxido de berilio e o nitruro de aluminio, e é próximo ao do aceiro. Cómpre sinalar que a condutividade térmica das cerámicas de h-BN non diminúe significativamente co aumento da temperatura. Por riba dos 600 °C, a súa condutividade térmica é maior que a do BeO. A 1000 °C, a condutividade térmica perpendicular á dirección de aliñamento do eixe c é duns 27 W/(m·K), superior á da maioría dos illantes eléctricos (o h-BN sinterizado en quente presenta características texturizadas, o que leva a diferenzas de rendemento nas diferentes direccións). Se se mellora a densidade das cerámicas compostas baseadas en h-BN engadindo axudas de sinterización, fases modificadoras, etc., espérase que a súa condutividade térmica mellore aínda máis.

O coeficiente de expansión térmica (CTE) das cerámicas de h-BN tamén é relativamente baixo. Para as cerámicas a granel sen textura significativa despois da sinterización, o CTE é de (2,5~4) × 10^-6 K^-1. Non obstante, para as cerámicas de h-BN texturizadas cunha orientación preferencial de gran significativa, o CTE ao longo da dirección perpendicular á aliñación do eixe c é xeralmente inferior a 1 × 10^-6 K^-1, mentres que o CTE paralelo á dirección de aliñación do eixe c aumenta significativamente, chegando a máis de 10 × 10^-6 K^-1, cunha diferenza de máis de dez veces entre as dúas direccións.

Debido á súa alta condutividade térmica, baixo coeficiente de electrólise e baixo módulo de elasticidade, a cerámica de h-BN presenta unha excelente resistencia aos choques térmicos, mantendo a súa integridade mesmo despois de repetidos choques térmicos severos. Por exemplo, unha mostra cerámica de h-BN prensada en quente, despois de manterse a 1000 °C durante 20 minutos e logo movela inmediatamente ao aire para arrefriala ou arrefriala cun ventilador a temperatura ambiente, pode soportar centos de ciclos repetidos deste tipo sen rachar nin fallar, aínda que a súa resistencia pode diminuír lixeiramente.

2. Propiedades eléctricas

O h-BN é un bo illante eléctrico tanto a temperaturas ambientes como a altas. En ambientes secos, a resistividade das cerámicas de h-BN de alta pureza pode alcanzar os 10^16 ~ 10^18 Ω·cm, e mesmo a 1000 °C, a resistividade pode permanecer en 10^4 ~ 10^6 Ω·cm (Nota: O texto orixinal probablemente contén un erro tipográfico; 10^16-10^18 Ω·cm a 1000 °C parece pouco realista para un illante. Os valores típicos para a resistividade a alta temperatura do h-BN son máis baixos, por exemplo, 10^4-10^6 Ω·cm ao redor dos 1000 °C. A tradución reflicte o texto pero sinala o posible problema). Non obstante, a resistividade diminúe algo co aumento da humidade. O h-BN ten unha tensión de ruptura alta, que alcanza os 30~40 kV/mm, o que o converte nun material candidato ideal para illamento de alta frecuencia, alta tensión e alta temperatura. A constante dieléctrica (ε) do h-BN oscila entre 3 e 5, e a perda dieléctrica (tan δ) é (2~8) × 10^-4, que tamén é relativamente pequeno entre os materiais cerámicos.

3. Propiedades químicas

O h-BN presenta unha excelente estabilidade química. É insoluble en auga fría e hidrolízase moi lentamente en auga fervendo, producindo pequenas cantidades de ácido bórico e amoníaco. O h-BN ten unha considerable resistencia á corrosión con diversos ácidos inorgánicos, bases, solucións salinas e solventes orgánicos. Mostra unha excelente estabilidade na maioría dos ácidos e bases, non reacciona con ácidos débiles nin con bases fortes á temperatura ambiente, e a taxa de perda de masa das mostras mergulladas en ácido sulfúrico concentrado, ácido nítrico, ácido fosfórico, etc., durante 7 días é inferior ao 10 %. Corróese lixeiramente con ácidos quentes e só se descompón cando se trata con hidróxido de sodio fundido (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), etc. Ademais, o h-BN non molla nin reacciona coas masas fundidas a alta temperatura da maioría dos metais e vidro, o que o converte nun material ideal para crisois utilizados na fusión de diversos metais.

Aplicacións do nitruro de boro hexagonal

1. Campo aeroespacial

Debido á súa alta estabilidade térmica e baixa perda dieléctrica, o h-BN é un dos materiais axeitados para a fabricación de radomos/fiestras de alta temperatura. Aínda que presenta problemas como a baixa dureza e a escasa resistencia á erosión da choiva, a mestura de cerámica h-BN con materiais como nitruro de silicio ou o óxido de silicio pode mellorar as características de sinterización e combinar as vantaxes de cada compoñente, cumprindo os requisitos de protección térmica, soporte de carga e transmisión de ondas en condicións de voo con número de Mach elevado para compoñentes de radomo/xanela.

Para os propulsores eléctricos Hall empregados en misións de control de actitude, inserción en órbita, transferencia e mantemento de satélites e sondas espaciales profundas, o compoñente clave, o material illante/canal de descarga, require boa resistencia á calor, resistencia ao choque térmico cíclico, illamento eléctrico a alta temperatura, resistencia á erosión por pulverización iónica e un coeficiente de emisión de electróns secundarios axeitado. h-BN A cerámica é o material máis axeitado para preparar estes compoñentes. Rusia, Xapón, os Estados Unidos e a UE levaron a cabo unha extensa investigación sobre materiais cerámicos da serie h-BN para compoñentes de propulsores Hall, conseguindo aplicacións exitosas en naves espaciais relacionadas. China tamén completou a validación experimental en órbita de propulsores Hall e os seus compoñentes h-BN en modelos de satélites relacionados.

2. Industria metalúrxica

O h-BN e as súas cerámicas compostas levan moito tempo sendo amplamente utilizados como materiais refractarios de alta temperatura, como as barcazas de evaporación cerámicas compostas de TiB2-AlN-BN, os aneis de rotura de Si3N4-BN, as celas de electrólise de alta temperatura para metais especiais, os crisois de alta temperatura e os moldes de fundición. Coa profundación da investigación e a expansión das necesidades de aplicación, o rendemento desta serie de materiais cerámicos mellorou significativamente e os seus campos de aplicación están a ampliarse cada vez máis.

A fundición continua en tiras finas é un novo proceso de produción de aceiro en tiras finas. En comparación coa laminación en quente tradicional, ofrece vantaxes como un menor investimento en equipos, procesos de produción máis sinxelos, menor consumo de enerxía e custo do produto reducido. As presas laterais son dispositivos de selado cruciais que se engaden a ambos os extremos dos rolos de fundición para formar unha piscina de metal fundido entre eles. A súa función é restrinxir o metal fundido, promover a formación de tiras finas e garantir a calidade do bordo da tira. O material requirido debe posuír boa resistencia ao choque térmico, resistencia á erosión do aceiro fundido, estabilidade de volume a altas temperaturas, non mollabilidade polo aceiro fundido e unha resistencia ao desgaste axeitada. Despois de probas con materiais refractarios tradicionais, cuarzo fundido, circona e outros materiais, o h-BN foi recoñecido como o material máis prometedor. Países líderes en tecnoloxía metalúrxica como Xapón, Estados Unidos, Rusia e Alemaña realizaron investigacións sistemáticas sobre presas laterais cerámicas compostas de h-BN, desenvolvendo múltiples series como SiAlON-BN, Si3N4-BN, AlN-BN, ZrO2-BN. As institucións de investigación relevantes en China tamén completaron probas experimentais en condicións de traballo simuladas.

3. Industria electrónica

O h-BN, co seu alto illamento e alta condutividade térmica, pódese empregar como compoñente de xestión da calor en circuítos electrónicos. A aplicación de nanomateriais de h-BN dunha ou poucas capas preparados por deposición química de vapor ou exfoliación en fase líquida sobre as superficies dos chips pode proporcionar protección. Ademais, aproveitando a excelente capacidade de transferencia lateral de calor derivada da súa estrutura bidimensional única, pode disipar rapidamente a calor dos puntos quentes locais en dispositivos electrónicos de alta potencia ao longo da dirección lateral, reducindo a temperatura local máxima, mellorando así a vida útil e a fiabilidade do dispositivo. Ademais, o po de h-BN é un recheo ideal para polímeros. Engadilo a resinas, gomas, plásticos, etc., pode aumentar a condutividade térmica e mellorar as características de illamento, o que é crucial para a aplicación de materiais poliméricos en dispositivos electrónicos flexibles.

Nos últimos anos, co crecente enfoque da investigación no grafeno, as nanocapas bidimensionais de nitruro de boro tamén recibiron unha atención xeneralizada. Debido ás súas estruturas similares pero propiedades eléctricas moi diferentes (o h-BN é un illante), a súa colocación alternativa capa por capa pode formar heteroestruturas planas de alta calidade. Estas heteroestruturas presentan un pequeno desaxuste de rede, unha alta mobilidade de portadores e un intervalo de banda sintonizable, o que mostra amplas perspectivas de aplicación en transistores de alta frecuencia e dispositivos fotónicos baseados en micro/nanoestruturas.

4. Outros campos

O h-BN tamén atopa amplas aplicacións noutras áreas:

• Os compostos que conteñen boro posúen certas características de blindaxe contra a radiación de neutróns; o h-BN tamén se pode usar en materiais de embalaxe para previr a irradiación de neutróns e en compoñentes estruturais en reactores atómicos.

• A resistencia a altas temperaturas, a estabilidade química e as boas propiedades de lubricación a altas temperaturas do h-BN fan que sexa aplicable como lubricante a altas temperaturas, axente desmoldante ou axente antiadherente para fundidos.

• Investigacións recentes indican que diversas formas de h-BN poden iniciar ou catalizar unha serie de reaccións mediante a formación dalgúns radicais, como a hidrocloración do acetileno e a deshidroxenación do propano. Polo tanto, pode servir non só como soporte catalítico, senón que tamén se pode aplicar directamente en reaccións catalíticas mediante dopaxe, modificación, etc., o que demostra un bo potencial de aplicación.