Нитрид бора вюрцитной для экспериментов!

Вюрцитный нитрид бора (w-BN, вюрцитоподобный BN) — полиморфная модификация нитрида бора с гексагональной плотноупакованной кристаллической структурой типа вюрцита. Химическая формула: BN. Этот материал является структурным аналогом лонсдейлита (гексагонального алмаза) и представляет значительный интерес для промышленности благодаря исключительно высокой твёрдости.

Полиморфные модификации нитрида бора

Нитрид бора существует в нескольких кристаллических формах, аналогично углероду.

Гексагональный нитрид бора (h-BN) — мягкий материал со слоистой структурой, аналогичной графиту. Используется как высокотемпературная смазка и изоляционный материал. Температура разложения: ~2700–2900 °C в инертной среде. Плотность: 2,1–2,3 г/см³. Подробнее о гексагональном нитриде бора.

Кубический нитрид бора (c-BN) — сверхтвёрдый материал со структурой типа сфалерита, аналогичной алмазу. Торговые названия: эльбор, боразон, кубонит. Микротвёрдость: 40–50 ГПа (по Виккерсу). Плотность: 3,45–3,49 г/см³. Широко применяется в абразивной промышленности. Подробнее о кубическом нитриде бора.

Вюрцитный нитрид бора (w-BN) — редкая метастабильная модификация с гексагональной плотноупакованной структурой. Отличается от c-BN укладкой атомных слоёв (ABAB вместо ABCABC).

Ромбоэдрический нитрид бора (r-BN) — менее распространённая модификация со структурой типа ромбоэдрического графита.

Кристаллическая структура вюрцитного нитрида бора

Структура w-BN относится к типу вюрцита (пространственная группа P6₃mc). Атомы бора и азота образуют тетраэдрическую координацию, при этом чередование слоёв происходит по схеме ABAB, в отличие от кубической модификации (ABCABC).

Основные кристаллографические параметры w-BN:

Параметры элементарной ячейки: a ≈ 2,55 Å, c ≈ 4,22 Å. Отношение c/a ≈ 1,65. Координационное число: 4 (тетраэдрическая координация). Длина связи B–N: ~1,56 Å.

Вюрцитная структура обеспечивает специфические механические свойства материала, включая анизотропию твёрдости и способность к деформационному упрочнению под нагрузкой.

Физико-химические свойства w-BN

Механические характеристики

Вюрцитный нитрид бора обладает исключительными механическими свойствами.

Плотность: 3,49 г/см³.

Модуль объёмной упругости: 370–400 ГПа.

Твёрдость: экспериментально сложно определить из-за малых размеров и редкости образцов. Теоретические расчёты предсказывают индентационную твёрдость до 90–114 ГПа при условии деформационного упрочнения (strain-hardening). Для сравнения: алмаз — 70–100 ГПа по Виккерсу.

Деформационное упрочнение: при индентировании связи в кристаллической решётке w-BN перестраиваются, что приводит к увеличению сопротивления деформации. Это явление теоретически может обеспечить превышение твёрдости алмаза при высоких нагрузках.

Термические свойства

Термическая стабильность: w-BN является метастабильной фазой. При нагревании выше ~1200–1400 °C начинается переход в h-BN. В инертной атмосфере под высоким давлением возможна стабилизация структуры.

Теплопроводность: расчётные значения составляют 200–300 Вт/(м·К), что ниже, чем у h-BN вдоль базальной плоскости (~400 Вт/(м·К)), но сопоставимо с c-BN.

Температура окисления на воздухе: ~800–900 °C (начало заметного окисления).

Химическая стойкость

Нитрид бора химически инертен при нормальных условиях. Не растворяется в воде, органических растворителях и большинстве кислот. Взаимодействует с горячими концентрированными щелочами с выделением аммиака. Устойчив к расплавам металлов (не растворяется в железе, в отличие от алмаза).

Получение вюрцитного нитрида бора

Синтез w-BN представляет значительную технологическую сложность из-за метастабильности этой фазы:

Ударное сжатие h-BN. При воздействии ударной волны на гексагональный нитрид бора происходит мартенситное превращение с образованием w-BN. Метод позволяет получать небольшие количества материала.

Высокое статическое давление. Синтез в камерах высокого давления (аппараты типа «наковальня с алмазами», многопуансонные прессы) при давлении 10–15 ГПа и температуре 1500–2000 °C. Часто образуется смесь c-BN и w-BN.

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Перспективный метод получения тонких плёнок w-BN на подложках. Используются прекурсоры: диборан (B₂H₆), триэтилбор и аммиак или азот.

В промышленных масштабах чистый вюрцитный нитрид бора практически не производится. Коммерческие продукты обычно содержат смесь w-BN и c-BN фаз.

Применение вюрцитного нитрида бора

Из-за сложности синтеза и высокой стоимости применение w-BN ограничено преимущественно научными исследованиями и специализированными областями.

Абразивные материалы. Композиции на основе w-BN/c-BN используются для обработки закалённых сталей, жаропрочных сплавов и других труднообрабатываемых материалов. В отличие от алмаза, нитрид бора не взаимодействует с железом при высоких температурах.

Износостойкие покрытия. Плёнки w-BN наносят методами PVD и CVD на режущий инструмент и детали машин для повышения износостойкости.

Научные исследования. w-BN служит модельным материалом для изучения механики сверхтвёрдых веществ и фазовых превращений под давлением.

Электроника. Исследуется возможность применения w-BN в качестве широкозонного полупроводника (ширина запрещённой зоны ~6,5 эВ).

Сравнение модификаций нитрида бора

Для выбора материала важно понимать различия между модификациями.

Гексагональный BN (h-BN): плотность 2,1–2,3 г/см³, мягкий (твёрдость по Моосу ~2), отличная термостойкость, используется как смазка и изолятор.

Кубический BN (c-BN): плотность 3,45–3,49 г/см³, сверхтвёрдый (40–50 ГПа), промышленно производится, широко применяется для шлифования и резания.

Вюрцитный BN (w-BN): плотность 3,49 г/см³, потенциально твёрже алмаза, производство ограничено, преимущественно используется в исследованиях.

Для большинства промышленных задач рекомендуется использовать кубический нитрид бора (c-BN) — проверенный и доступный сверхтвёрдый материал.

Поставки вюрцитного нитрида бора

Компания «Русский металл» осуществляет поставки нитрида бора различных модификаций под заказ. Вюрцитный нитрид бора поставляется в виде порошка с различным фракционным составом. Возможна поставка смесевых материалов w-BN/c-BN для специализированных применений.

Для уточнения наличия, сроков поставки и технических характеристик конкретных партий свяжитесь с нашими специалистами. Обеспечиваем доставку по всей России.

   Также мы занимаемся сплавами: 140680, EN AW-2618A, МНА13-3, БО10, SA 240 (S31050), SF A5.14 (ERNiCrMo-2), Commercial bronze, 90 %, 1428890, C 4622 BD, Ni 99,8, ERTi-3Al-2.5V, A5.13 (ENiCrMo-5A).