Нитрид бора: физико-химические свойства и применение

Нитрид бора представляет собой термостойкое кристаллическое соединение, состоящее из бора и азота. Соединение получают одним из нескольких методов:

1. Химический. Оксид бора (B₂O₃) смешивают с аммиаком (NH₃) при температуре около 2000 °C.
2. Плазмохимический. Аморфный бор подают в струю азотной плазмы, нагретой до температуры свыше 4700 К.
3. Пиролиз. Летучие соединения бора и азота подвергаются термическому разложению при температуре от 1000 до 2000 К.

Общая формула и модификации

Химическая формула нитрида бора — BN. Выделяют несколько аллотропных модификаций соединения:

• Гексагональная (α) — h-BN. Эта форма нитрида бора имеет наибольшее количество вариантов применения благодаря низкому коэффициенту трения, электропроводности и термической стабильности (соединение выдерживает температуры до 3000 °C).

• Кубическая (β). Такая форма имеет высокое электрическое сопротивление и хорошую теплопроводность, почти на уровне алмаза. Кубический нитрид бора не растворяется в стальных сплавах, что делает его хорошим абразивным материалом.

• Аморфная. Некристаллическая форма нитрида бора. По структуре и свойствам сравнима с аморфным углеродом.

Поскольку нитрид бора существует в виде нескольких полиморфов, соединение находит применение во многих отраслях промышленности.

Физико-химические свойства

На молекулярном уровне структура вещества может иметь форму плоской или кубической решетки. Это обуславливает основные известные физические и химические свойства нитрида бора:

• Термостойкость. Температура плавления вещества — 2973 °C. По этому показателю нитрид бора находится на одном уровне с такими металлами, как гафний, осмий и молибден, которые относятся к категории тугоплавких.

• Теплопроводность. При 1700–2000 Вт/мК показатели теплопроводности BN сравнимы с графеном.

• Плотность. В зависимости от модификации, составляет от 2,1 до 3,5 г/см³.

С химической точки зрения нитрид бора инертен. Вещество не вступает в реакцию с реагентами и расплавленными металлами, включая титан, медь, алюминий и другие. Устойчив к воздействию кислотных и щелочных сред. При температуре до 700 °C не поддается окислению.

Показатели качества

Чаще всего используется нитрид бора гексагональный, иногда называемый «белым графитом». Производство этого вещества регламентируется в соответствии с ТУ У 26.8-00222226-007-2003. Качественный материал представляет собой мелкий порошок чистого белого цвета, визуально напоминающий тальк. 90% частиц имеют не более 20 мкм в диаметре. Массовая доля нитрида бора (BN) в соединении — от 97,4%. Насыпная плотность — не менее 0,33 г/см³.

Применение

Исключительная термостойкость нитрида бора позволяет использовать его в самых разных областях, связанных с экстремально высокими температурами. Сферы применения BN:

• производство огнеупорных материалов — как диэлектриков, так и полупроводников;

• нанесение защитных покрытий (антипригарных, для защиты металлов от коррозии);

• изготовление термостойкой керамики;

• переработка нефти, промышленный органический синтез;

• 
  

  ядерная энергетика.

Гексагональный нитрид бора используется для улучшения смазывающих свойств резины, пластмасс, сплавов и керамики. Благодаря низкому коэффициенту трения применяется при производстве для красок, косметики, карандашных грифелей, стоматологического цемента. Отличные смазывающие свойства BN проявляются в т. ч. при отсутствии молекул газа или воды в слоях компаунда, что делает его хорошим компонентом для вакуумных систем.

Нитрид бора с шириной запрещенной зоны от 4,5 до 6,4 эВ — превосходный полупроводник. Свойства соединения позволяют использовать его в разработки полевых транзисторов и металл-оксид-полупроводников (MOSFET).

Кубический нитрид бора часто используется в качестве абразивного материала для обработки никеля, железа и некоторых сплавов в тех условиях, когда алмаз не подходит (например, при очень высоких температурах). Такая форма BN используется в режущих инструментах и шлифовальном оборудовании.