Бора нитрид

Нитрид бора (BN) — бинарное соединение бора и азота. Кристаллический BN изоэлектронен углероду: подобно ему, существует в нескольких полиморфных модификациях с принципиально разными свойствами. Гексагональная модификация — диэлектрик и высокотемпературная смазка, кубическая — сверхтвёрдый абразив. Область применения каждой определяется структурой кристаллической решётки.

Получение нитрида бора

Основной промышленный метод — реакция оксида бора (B₂O₃) с аммиаком (NH₃) при температуре около 2000 °C. Применяют также плазмохимический синтез: аморфный бор вводят в струю азотной плазмы при температуре 5000–6100 К. Пиролиз летучих соединений бора и азота при 1300–2300 К позволяет получать BN с контролируемой морфологией частиц. Кубическую модификацию синтезируют из гексагональной под высоким давлением и температурой — по аналогии с получением алмаза из графита.

Полиморфные модификации нитрида бора

BN образует четыре основные модификации; в промышленности востребованы преимущественно две из них.

Модификация	Обозначение	Структура	Плотность, г/см³	Твёрдость по Моосу	Тпл, °C
Гексагональная	h-BN (α-BN)	Слоистая, графитоподобная	2,27–2,35 (частицы); 0,33–0,45 (насыпная)	~2	~3000 (под давлением N₂)
Кубическая	c-BN (β-BN, эльбор, боразон)	Сфалеритная, алмазоподобная	3,48–3,51	9,5	~3000
Вюртцитная	w-BN	Плотная гексагональная, тип вюрцита	~3,49	~9,5	—
Ромбоэдрическая	r-BN (γ-BN)	Ромбоэдрическая	~2,27	~2	—

Гексагональный нитрид бора (h-BN)

Кристаллическая решётка h-BN состоит из чередующихся атомов бора и азота, образующих шестиугольные сетки — аналогично графиту, но слои расположены точно один над другим (конфигурация ABAB). Из-за структурного сходства с графитом h-BN называют «белым графитом». Кристаллики h-BN прозрачны — в отличие от непрозрачного графита. Выпускается в виде мелкодисперсного белого порошка, по внешнему виду напоминающего тальк.

Расстояние между слоями в решётке h-BN составляет 3,34 Å, что меньше, чем у графита (3,40 Å): межслоевая связь у нитрида бора несколько прочнее. Это объясняет более высокую устойчивость h-BN как смазки при экстремальных температурах.

Подробные технические характеристики, марки и условия поставки: нитрид бора гексагональный.

Кубический нитрид бора (c-BN, эльбор)

Кубическая модификация — второй по твёрдости материал после алмаза. Структура типа сфалерита обеспечивает изотропную сверхвысокую твёрдость (9,5 по Моосу). Принципиальное преимущество c-BN перед алмазом при обработке резанием: c-BN не растворяется в железе и его сплавах при нагревании — тогда как алмаз при контакте с горячей сталью интенсивно графитизируется. Это делает эльбор незаменимым инструментальным материалом именно для обработки сталей и чугунов.

Подробные технические характеристики, зернистость, марки: кубический нитрид бора.

Физико-химические свойства нитрида бора

Химическая инертность

h-BN химически инертен к большинству кислот и щелочей при комнатной температуре. Поверхность h-BN не смачивается расплавами алюминия, магния, большинства солей и силикатного стекла — что определяет его роль как разделяющей среды. Окисление h-BN на воздухе начинается при температуре выше 700 °C; в инертной или восстановительной атмосфере материал сохраняет стабильность вплоть до ~3000 °C.

Теплопроводность и электрические свойства

Теплопроводность h-BN анизотропна: в плоскости кристалла достигает 200–400 Вт/(м·К); перпендикулярно плоскости — существенно ниже. Для порошков и прессованных изделий значение теплопроводности заметно меньше, чем у монокристалла.

h-BN — широкозонный диэлектрик с шириной запрещённой зоны около 5,9 эВ. Практически это означает высокое удельное электрическое сопротивление в сочетании с высокой теплопроводностью — редкое сочетание, важное для электроизоляционных теплорассеивающих применений. В спрессованном состоянии h-BN проявляет полупроводниковые свойства.

Смазывающие свойства

Слоистая структура h-BN обеспечивает низкий коэффициент трения и способность к сухой смазке — аналогично графиту и дисульфиду молибдена. Ключевое отличие от этих материалов — термостабильность: h-BN сохраняет смазывающие свойства до 2760 °C в инертной и восстановительной среде, до ~870 °C в окислительной атмосфере. Хорошо диспергируется в расплавах, суспензиях и пастообразных составах.

Применение нитрида бора в промышленности

Высокотемпературная смазка и разделяющая среда

Порошок h-BN применяют как сухую смазку в узлах трения, работающих при высоких температурах, в вакууме или агрессивных средах, где жидкие смазки недопустимы. В металлургии и стекольной промышленности h-BN используют как разделяющее покрытие: им обрабатывают пресс-формы, кокили, тигли и инструмент, контактирующий с расплавами металлов и стекла. Химическая инертность и несмачиваемость поверхности исключают загрязнение расплава.

Огнеупорные и керамические изделия

Сочетание тугоплавкости (~3000 °C), химической инертности и теплопроводности делает h-BN базой для горячепрессованной нитридборной керамики. Из неё изготавливают тигли, лодочки и трубки для высокотемпературных процессов, сопла, экраны и прочие изделия, работающие в контакте с агрессивными расплавами при температурах, недоступных для оксидной керамики. Горячепрессованные изделия из h-BN обрабатываются резанием стандартным металлорежущим инструментом.

Электроизоляционные и теплопроводящие материалы

h-BN в качестве наполнителя вводят в полимерные электроизоляционные материалы — подложки, компаундирующие составы, теплопроводящие прокладки. Добавка h-BN увеличивает теплопроводность без ухудшения электрических характеристик, что позволяет эффективно отводить тепло от электронных компонентов. Материал работает без жидкой смазки, что важно для прецизионных узлов.

Абразивный инструмент на основе кубического нитрида бора

c-BN (эльбор) применяют в шлифовальных кругах и в режущих пластинах для чистовой и получистовой обработки закалённых сталей, чугунов и жаропрочных сплавов. Инструмент из c-BN стоек при температурах резания, при которых алмазный инструмент деградирует из-за растворения в железе. Это позволяет проводить высокопроизводительную обработку без принудительного охлаждения. Области применения: тяжёлое машиностроение, автомобилестроение, инструментальное производство, добывающая промышленность.

Ядерная техника

Изотоп ¹⁰B обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов. h-BN с обогащением по изотопу ¹⁰B используют как нейтронопоглощающий материал в ядерных реакторах — для регулирования и защиты активной зоны. Химическая стабильность и термостойкость материала делают его пригодным для длительной работы в реакторных условиях.

Производство интегральных схем и электровакуумные приборы

Пиролитический нитрид бора (р-BN) применяют в полупроводниковой промышленности: из него изготавливают тигли и лодочки для выращивания монокристаллов арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) методом Чохральского. Материал не загрязняет расплав и выдерживает необходимые температуры. В электровакуумной технике h-BN служит диэлектрической подложкой и изоляционным компонентом высокотемпературных устройств.

Формы поставки нитрида бора

Нитрид бора поставляется в следующих формах:

• Порошок h-BN — различной дисперсности, по ТУ 2-036-707-77 и ТУ 2112-003-49534204-2002.
• Порошок c-BN (эльбор) — в зернистостях для абразивного инструмента и шлифовальных паст.
• Горячепрессованные изделия h-BN — тигли, лодочки, трубки, пластины, заготовки нестандартных форм по чертежам заказчика.

Для уточнения наличия, марки, дисперсности и условий поставки — направьте запрос с техническим заданием.