الجرافيت غير العضوي - الدليل الشامل

يعزز تطور علم المواد التقدم الاجتماعي ويعزز التطور في علم المواد، وتستمر أنواع جديدة من المواد في الظهور. ويتمتع نيتريد البورون نيتريد الجرافيت غير العضوي، نظرًا لتشابهه مع الجرافيت وتركيبته الكيميائية الفريدة، بأداء ممتاز وإمكانات كبيرة للتطبيق. وقد أصبح نقطة بحثية ساخنة في علم المواد.

اسم الجرافيت غير العضوي

لماذا يسمى نيتريد البورون جرافيت غير عضوي؟

يُطلق على نيتريد البورون اسم الجرافيت غير العضوي لأن له مظهرًا مشابهًا للجرافيت، فكلاهما ذو طبقات وله ملمس زلق. كما أن التركيب البلوري السداسي الشكل لنيتريد البورون مشابه أيضًا لتركيب الجرافيت، ويتمتع بثبات حراري جيد. ومع ذلك، يتكون الجرافيت من عناصر الكربون، في حين أن نيتريد البورون مركب من النيتروجين والبورون.

هيكل الجرافيت غير العضوي

صيغة الجرافيت غير العضوي

الجرافيت غير العضوي - كما هو معروف باسم نيتريد البورونوصيغته الكيميائية هي BN. في نيتريد البورون، يرتبط البورون (B) والنيتروجين (N) معًا كيميائيًّا بنسبة تكافؤ 1:1 من خلال روابط تساهمية. التوزيع الإلكتروني الخارجي لذرات البورون هو 2s²2p¹، والتوزيع الإلكتروني الخارجي لذرات النيتروجين هو 2s²2p³. أثناء تكوين نيتريد البورون، توفر ذرات البورون 3 إلكترونات تكافؤ، وتوفر ذرات النيتروجين أيضًا 3 إلكترونات للمشاركة في الترابط. ويشكل تفاعل هذه الإلكترونات روابط تساهمية مستقرة تشكل الوحدة البنائية الأساسية لنيتريد البورون.

تحليل مفصل للتركيب البلوري

يوجد نيتريد البورون بشكل أساسي في ثلاثة تراكيب بلورية: نيتريد البورون السداسي الأضلاع (h-BN)، ونتريد البورون المكعب (c-BN)، ونتريد البورون المعيني السطوح (r-BN). يحتوي H-BN على بنية طبقية مشابهة للجرافيت، حيث تتكون كل طبقة من ذرات البورون والنيتروجين بالتناوب في شبكة مستوية سداسية الشكل. وتتفاعل الطبقات مع بعضها البعض من خلال قوى فان دير فال الضعيفة نسبيًا. ويمنح هذا التركيب الطبقي نيتريد البورون السداسي الطبقات خصائص تزييت جيدة وقابلية تقشير معينة. ويشبه التركيب البلوري لـ c-BN التركيب البلوري لـ c-BN، حيث تتصل ذرات البورون والنيتروجين في شكل رباعي الأوجه لتكوين بنية ثلاثية الأبعاد متقاربة ومعبأة. ويمنحه هذا التركيب صلابة عالية للغاية، حيث يأتي في المرتبة الثانية بعد الماس. تقع بنية r-BN بين نيتريد البورون السداسي ونتريد البورون المكعب. وبنيته البلورية أكثر تعقيدًا نسبيًا، مع وجود أبحاث وتطبيقات أقل نسبيًا.

ترتيب الذرات

يتكون نيتريد البورون السداسي الطبقات من طبقات، وترتبط ذرات البورون والنيتروجين في نفس الطبقة بروابط تساهمية. كل ذرة بورون محاطة بثلاث ذرات نيتروجين لتكوين روابط B-N بطول رابطة 0.145 نانومتر. وتُشكِّل هذه الروابط شبكة سداسية تمتد إلى ما لا نهاية في المستوى. يتم ترتيب الذرات داخل كل طبقة بشكل متقارب ومنظم، بينما تتماسك الطبقات معًا بواسطة قوى فان دير فال. ويبلغ التباعد بين الطبقات حوالي 0.333 نانومتر. في نيتريد البورون المكعب، تُشكِّل ذرات البورون والنيتروجين هياكل رباعية الأوجه من خلال روابط تساهمية. وتتصل كل منها بأربع ذرات متقابلة، ما يجعلها صلبة ومستقرة.

تهجين الجرافيت غير العضوي

في نيتريد البورون، تكون ذرات البورون والنيتروجين في نيتريد البورون السداسي والمكعب مهجنة بشكل أساسي. (يحتوي نيتريد البورون المكعب على قدر ضئيل من التهجين sp³hybridization). إذا أخذنا نيتريد البورون السداسي الأضلاع كمثال، تتداخل المدارات المهجنة sp² لذرات البورون والنيتروجين لتكوين روابط سداسية الشكل، مما يشكل مستوى سداسي الأضلاع. تكون المدارات p غير المهجنة المتبقية غير المهجنة متعامدة على المستوى وتتداخل كتفًا بكتف لتكوين روابط π غير متمركزة، على غرار تهجين الجرافيت. وهذا هو مفتاح خصائصه الكهربائية والحرارية المماثلة.

مقارنة مع أوجه التشابه والاختلاف بين بنية الجرافيت

وتتمثل أوجه التشابه بين نيتريد البورون السداسي والجرافيت في أن كلاهما له بنية طبقية مع وجود روابط تساهمية داخل الطبقات وقوى فان دير فال بين الطبقات. وتُشكِّل الذرات روابط تساهمية غير متمركزة من خلال التهجين sp²، ولهما موصلية كهربائية وتوصيلية حرارية معينة. تكمن الاختلافات في أن القوى البينية بين الطبقات في الجرافيت أضعف، مما يسهل انزلاقها وتزييتها. ويتكون الجرافيت من ذرات الكربونبينما يتكون نيتريد البورون من ذرات البورون والنيتروجين. تختلف السالبات الكهربية الذرية، وتختلف أيضًا خواصها الكيميائية وبعض خواصها الفيزيائية.

خواص الجرافيت غير العضوي

الخصائص الفيزيائية

ويتميز الجرافيت غير العضوي (مع أخذ نيتريد البورون السداسي كمثال) بتشحيم جيد بسبب التفاعلات الضعيفة بين الطبقات في بنيته الطبقية. وتبلغ كثافته 2.27 جم/سم مكعب تقريبًا، وله مزايا في مجال الطيران والمجالات الأخرى التي يكون فيها الوزن عاملًا حاسمًا. يتميز نيتريد البورون المكعب بصلابة عالية للغاية، حيث تبلغ صلابة موس 9.5 - 10. ويمكنك استخدامه في كثير من الأحيان لتصنيع مواد مقاومة للتآكل مثل أدوات القطع.

الخواص الكيميائية

يتميز نيتريد البورون بثبات كيميائي جيد، لذا فهو لا يتفاعل مع الماء أو الأحماض والقواعد الشائعة في درجة حرارة الغرفة. وهو مستقر نسبيًا في درجات الحرارة العالية والأحماض والقواعد القوية. وهو لا يخضع للأكسدة البطيئة إلا في وجود درجات حرارة عالية ومواد مؤكسدة قوية، إلخ. وهذا يتيح استخدامه على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي في البيئات الكيميائية القاسية.

الخواص الحرارية

يتميز الجرافيت غير العضوي بخصائص حرارية ممتازة. وتصل الموصلية الحرارية لنيتريد البورون السداسي الأضلاع إلى 300 - 400 واط/(م-ك)، وهو ما يساعد على تبديد حرارة الأجهزة الإلكترونية. تبلغ درجة انصهاره حوالي 3000 درجة مئوية، ويظل هيكله وخصائصه مستقرة في درجات الحرارة العالية. وهذا يجعلها مناسبة كمادة حماية حرارية في مجال الطيران والمجالات الأخرى.

الخواص الكهربائية

نيتريد البورون سداسي الأضلاع هو مادة شبه موصلة ذات فجوة واسعة النطاق مع عرض فجوة نطاق يبلغ حوالي 6.4 فولت. وهي مادة فريدة من نوعها في مجال أشباه الموصلات. ونظرًا للروابط π الكبيرة غير المتمركزة بين الطبقات، فإنها تتمتع بتوصيلية معينة، ولكنها أضعف من المعادن.

طريقة تحضير الجرافيت غير العضوي

طريقة التخليق في درجات الحرارة العالية والضغط العالي

تعمل هذه الطريقة في ظروف درجة حرارة عالية تتراوح بين 1000 و2000 درجة مئوية وضغط مرتفع يتراوح بين 5 و10 جيجا باسكال. يُستخدم مسحوق البورون والبورات ومصادر البورون الأخرى، بالإضافة إلى الأمونيا وغاز النيتروجين وغيرها كمواد خام. لتعزيز تفاعل ذرات البورون والنيتروجين لتكوين بلورات نيتريد البورون. وتنتج هذه الطريقة نيتريد البورون المكعب والسداسي الأضلاع مع تبلور ونقاء عاليين، وهو مناسب لإنتاج أدوات القطع المتطورة. ومع ذلك، فإن المعدات باهظة الثمن، واستهلاك الطاقة مرتفع، والإنتاج منخفض.

ترسيب البخار الكيميائي

يستخدم البوران ومصادر البورون الغازية الأخرى والأمونيا ومصادر النيتروجين الأخرى، إلخ. لنقلها إلى غرفة التفاعل تحت العمل المشترك لدرجات الحرارة العالية والمحفزات. يتفاعل على سطح الركيزة لتشكيل طبقة نيتريد البورون. ويمكنه التحكم بدقة في سمك وجودة الفيلم وغالبًا ما يستخدم في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات. مثل تحضير الطبقات العازلة للترانزستور ذات التأثير الميداني القائم على نيتريد البورون. ومع ذلك، فإن المعدات معقدة، والتكلفة مرتفعة، وسرعة النمو بطيئة.

طريقة سول-جل

هذه الطريقة هي طريقة تحضير خفيفة. أولاً، قم بإذابة استرات البورات ومصادر البورون الأخرى والأمينات العضوية ومصادر النيتروجين الأخرى في مذيبات عضوية لتشكيل محلول موحد. بعد التحلل المائي والتكثيف، يتم تكوين محلول مذاب. ثم يتم تعتيقه وتجفيفه وتحويله إلى مادة هلامية. وأخيرًا، يخضع لمعالجة حرارية عالية الحرارة لتحلل المكونات العضوية وتوليد نيتريد البورون. هذه الطريقة سهلة التشغيل ومنخفضة التكلفة وسهلة الإنتاج على نطاق واسع. ويمكنها إنتاج مسحوق نيتريد البورون عالي النقاء، ولكن التبلور ضعيف ويحتاج إلى تحسينه.

مجال تطبيق الجرافيت غير العضوي

المجال الإلكتروني

Sموصل الإليكترونيات  

وهي أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة. يتفوق أداء الترانزستورات ذات التأثير الميداني القائمة على نيتريد البورون في درجات الحرارة العالية على أداء المنتجات التقليدية القائمة على السيليكون. يمكن لمصابيح LED المصنعة من نيتريد البورون أن تبعث ضوءًا قصير الموجة ويمكنك استخدامها للاتصالات بالأشعة فوق البنفسجية والتطهير.

Hأكل تبديد الأجهزة الإلكترونية  

في رقائق الكمبيوتر، ومعالجات الهواتف المحمولة وغيرها من الأجهزة، يمكنك استخدامها كمشتتات أو طلاءات حرارية. يمكنها تبديد الحرارة بسرعة وتحسين الأداء وإطالة العمر الافتراضي.

مجال الطاقة

Bمواد الأقطاب الكهربائية الأترية  

تتمتع بسعة محددة نظرية عالية وأداء مستقر في ركوب الدراجات، ويتم دراستها للاستخدام في بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات أيونات الصوديوم وغيرها. إن أقطاب كهربائية مع مواد الكربون يمكن للمركبات تحسين معدل البطارية وعمر دورتها.

Hمادة تخزين اليدروجين  

نظرًا لهيكلها الخاص وخصائصها الإلكترونية، يمكنها امتصاص الهيدروجين وتخزينه. وبعد المعالجة بالتعديل، يمكن تحسين قدرة تخزين الهيدروجين وثباته.

مجال الطيران والفضاء

Tمواد الحماية الحرارية  

وتتميز بنقطة انصهار عالية وثبات حراري جيد وتوصيل حراري منخفض. عندما تحلق الطائرة بسرعة عالية، يمكن لمواد الحماية الحرارية القائمة على نيتريد البورون أن تمنع الحرارة من الدخول إلى الطائرة وتحمي الهيكل الداخلي والمعدات.

Aقطع غيار ircraft  

تتميز بكثافة منخفضة وقوة عالية. وتستخدم المواد المركبة الأساسية في تصنيع أجنحة الطائرات والمكونات الهيكلية لجسم الطائرة وغيرها. ويمكنه تقليل الوزن وتحسين القوة الهيكلية والموثوقية.

مجال الماكينات

Hزيوت التشحيم عالية الحرارة  

الهيكل الطبقي لنيتريد البورون سداسي الطبقات يجعله يتمتع بتشحيم جيد وثبات في درجات الحرارة العالية. لذا يمكنك استخدامه كمادة تشحيم في عمليات الإنتاج عالية الحرارة لتقليل الاحتكاك وتقليل التآكل وتحسين الكفاءة.

Wمادة مقاومة للأذن

يتميز نيتريد البورون المكعب بصلابة عالية. وتتمتع الأدوات وأدوات الطحن المصنوعة منه بمقاومة ممتازة للتآكل وأداء قطع ممتاز أثناء القطع والطحن. ويمكنه تحسين دقة المعالجة وإطالة عمر الأداة.

الخاتمة

يتميز الجرافيت غير العضوي (نيتريد البورون) ببنية فريدة وأداء ممتاز وطرق تحضير متنوعة. على الرغم من أنه يواجه تحديات مثل التكلفة والإنتاج الضخم. ومع تطور الأبحاث والتكنولوجيا، من المتوقع أن يحقق اختراقات في المزيد من المجالات.