Общие сведения
Нитрид бора, химическая формула которого обозначается как BN, представляет собой бинарное соединение бора и азота. Это химически стойкое вещество, отличающееся высокой инертностью: оно слабо взаимодействует с большинством реагентов и практически не смачивается расплавами многих металлов.
Один из распространённых способов получения нитрида бора связан с прокаливанием оксида бора или технического бора в атмосфере, насыщенной аммиаком, при температуре около 2000 °C. Вещество существует в нескольких структурных модификациях, которые отличаются строением, свойствами и областями применения.
- электровакуумное и полупроводниковое приборостроение;
- производство высокотемпературных смазочных материалов;
- создание тепло- и электроизоляционных компонентов;
- разработка огнеупорных изделий;
- синтез сверхтвёрдых материалов.
Гексагональный нитрид бора
Гексагональный нитрид бора представляет собой порошкообразный материал белого цвета, по внешнему виду напоминающий тальк. Его кристаллическая структура близка к структуре графита, поэтому в промышленной практике за ним закрепилось название «белый графит».
Для гексагонального нитрида бора действует несколько технических условий, по которым нормируются его физико-химические показатели. В зависимости от марки материал может отличаться содержанием основного вещества, уровнем примесей, плотностью, индексом графитации и другими параметрами.
Сравнение отдельных марок гексагонального нитрида бора
| Показатель | ТУ 2155-313-05808008-00 | ТУ 6-00-05808008-285-93 | ТУ У 26.8-00222226-007-2003 | ТУ 2112-003-49534204-2002 |
|---|---|---|---|---|
| Марки | «Гексагональный», «ГМ», «ГК» | «А», «В», «С» | марки по ТУ | марки по ТУ |
| Содержание BN | до 98,5–99,0% и выше | около 97,4–98,0% | до 98,0% | до 98,0% |
| Оксид бора B2O3 | до 0,2–0,3% | до 0,2–0,5% | до 0,3% | до 0,2% |
| Плотность | примерно 0,270–0,370 г/см³ | от 0,200 до 0,450 г/см³ | по марке | по марке |
| Примеси | нормируются по ТУ | Fe, C, B4C и др. | нормируются по ТУ | нормируются по ТУ |
Для гексагональной модификации нитрида бора характерны высокая дисперсность, тугоплавкость, невысокая твёрдость, выраженные изоляционные свойства и высокая теплопроводность для диэлектрического материала.
- температура плавления порядка 3000 °C;
- химическая инертность к расплавам металлов, стекла и кремния;
- сохранение свойств при повышенных температурах;
- высокие электроизоляционные характеристики;
- способность работать в условиях термических нагрузок.
Благодаря сочетанию свойств гексагональный нитрид бора применяют в промышленном синтезе, нефтепереработке, производстве полупроводниковых материалов, высокочистых металлов и огнеупорных изделий.
Материал используется для получения твёрдых смазок, высокотемпературных антипригарных и антикоррозионных покрытий, технической керамики и авиационных компаундов. Благодаря сочетанию теплопроводности и электроизоляционных свойств он востребован в электронных приборах специального назначения.
Керамические порошки на основе нитрида бора
На основе нитрида бора получают керамические порошки различных марок, включая BN A50, BNB15, BNB150 и BN FPB15. Они применяются как функциональные добавки в материалах, где требуется повышение теплопроводности, снижение трения или создание разделительного слоя.
- повышение теплопроводности силиконовых материалов и синтетических смол;
- использование в качестве присадки к смазкам и маслам;
- создание защитных слоёв при работе с расплавленными металлами;
- формирование разделительной среды в стекольной и керамической промышленности;
- производство высокотемпературных смазочных составов;
- получение наполнителей для охлаждающих жидкостей и масел.
Отдельное направление применения связано с ядерной энергетикой: нитрид бора может использоваться в составе нейтронопоглощающих контейнеров и материалов, работающих в условиях повышенных требований к стабильности.
Нитрид бора как основа сверхтвёрдых материалов
Важной сферой применения нитрида бора является получение сверхпрочных материалов. На его основе синтезируют кубическую и вюрцитоподобную модификации. Вюрцитоподобный нитрид бора применяют для последующего получения поликристаллов и режущих элементов, предназначенных для работы при ударных нагрузках.
Кубический нитрид бора
Кубический нитрид бора, известный также как эльбор или боразон, относится к сверхтвёрдым материалам. По прочностным характеристикам он лишь немного уступает алмазу, но при этом превосходит его по термостойкости в ряде условий эксплуатации.
В отличие от алмаза, кубический нитрид бора обладает большей устойчивостью при обработке железосодержащих сплавов. Он менее хрупок, хорошо переносит ударные нагрузки и сохраняет рабочие свойства при высоких температурах.
- высокая износостойкость;
- химическая инертность к железу и стальным сплавам;
- повышенная термостойкость;
- способность выдерживать интенсивные режимы шлифования;
- сохранение режущей способности за счёт самозатачивания зерна.
Где применяется кубический нитрид бора
Сфера применения кубического нитрида бора включает высокотемпературную технику, полупроводниковое производство, электровакуумные узлы и обработку сложнолегированных материалов.
- изготовление изоляторов и тиглей для получения кристаллов полупроводников;
- производство элементов электровакуумных приборов;
- создание деталей теплоотводов и окон энерговыводов;
- использование в производстве интегральных микросхем;
- чистовая токарная обработка высокопрочных сталей;
- шлифование твёрдых и сложнолегированных сплавов.
В шлифовальной отрасли эльбор получил широкое распространение благодаря стойкости к износу, высокой режущей способности и отсутствию выраженного диффузионного и адгезионного износа при обработке сталей.
Получают кубический нитрид бора путём нагревания азота и бора при температуре около 1700–1800 °C под высоким давлением, которое может составлять 8–12 ГПа.
Практический вывод
Нитрид бора — это не один материал с фиксированным набором свойств, а целая группа соединений и модификаций, каждая из которых решает свои технологические задачи. Гексагональная форма востребована как термостойкий, электроизоляционный и смазочный материал, а кубическая модификация применяется там, где требуется сверхтвёрдость и устойчивость к интенсивному износу.
Подробные сведения о характеристиках, доступных марках и областях применения материала представлены на странице: нитрид бора гексогональный