Ανόργανος γραφίτης - Ένας ολοκληρωμένος οδηγός

Η ανάπτυξη της επιστήμης των υλικών προάγει την κοινωνική πρόοδο και νέοι τύποι υλικών αναδύονται συνεχώς. Το ανόργανο νιτρίδιο βορίου γραφίτη, λόγω της ομοιότητάς του με τον γραφίτη και της μοναδικής χημικής του σύνθεσης, έχει εξαιρετικές επιδόσεις και μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής. Και έχει γίνει ένα ερευνητικό hotspot στην επιστήμη των υλικών.

Ονομασία ανόργανου γραφίτη

Γιατί το νιτρίδιο του βορίου ονομάζεται ανόργανος γραφίτης;

Το νιτρίδιο του βορίου ονομάζεται ανόργανος γραφίτης επειδή έχει παρόμοια εμφάνιση με τον γραφίτη, καθώς και τα δύο είναι πολυεπίπεδα και έχουν ολισθηρό άγγιγμα. Η εξαγωνική κρυσταλλική δομή του νιτριδίου του βορίου είναι επίσης παρόμοια με εκείνη του γραφίτη και έχει καλή θερμική σταθερότητα. Ωστόσο, ο γραφίτης αποτελείται από στοιχεία άνθρακα, ενώ το νιτρίδιο του βορίου είναι μια ένωση αζώτου-βορίου.

Δομή του ανόργανου γραφίτη

Τύπος ανόργανου γραφίτη

Ανόργανος γραφίτης - γνωστός ως νιτρίδιο βορίου, του οποίου ο χημικός τύπος είναι BN. Στο νιτρίδιο του βορίου, το βόριο (Β) και το άζωτο (Ν) είναι χημικά συνδεδεμένα μεταξύ τους σε στοιχειομετρική αναλογία 1:1 μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Η εξωτερική ηλεκτρονιακή διαμόρφωση των ατόμων βορίου είναι 2s²2p¹, και αυτή των ατόμων αζώτου είναι 2s²2p³. Κατά το σχηματισμό του νιτριδίου του βορίου, τα άτομα βορίου παρέχουν 3 ηλεκτρόνια σθένους και τα άτομα αζώτου παρέχουν επίσης 3 ηλεκτρόνια για να συμμετάσχουν στο δεσμό. Η αλληλεπίδραση αυτών των ηλεκτρονίων σχηματίζει σταθερούς ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι αποτελούν τη βασική δομική μονάδα του νιτριδίου του βορίου.

Λεπτομερής ανάλυση της κρυσταλλικής δομής

Το νιτρίδιο του βορίου υπάρχει κυρίως σε τρεις κρυσταλλικές δομές: εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (h-BN), κυβικό νιτρίδιο του βορίου (c-BN) και ρομβοεδρικό νιτρίδιο του βορίου (r-BN). Το h-BN έχει στρωματοποιημένη δομή παρόμοια με του γραφίτη, με κάθε στρώμα να σχηματίζεται από εναλλασσόμενα άτομα βορίου και αζώτου σε ένα εξαγωνικό επίπεδο δίκτυο. Τα στρώματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω σχετικά ασθενών δυνάμεων van der Waals. Και αυτή η στρωματοποιημένη δομή προσδίδει στο εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου καλές ιδιότητες λίπανσης και ορισμένη δυνατότητα αποκόλλησης. Η κρυσταλλική δομή του c-BN είναι παρόμοια με εκείνη του διαμαντιού, με τα άτομα βορίου και αζώτου να συνδέονται σε τετραεδρική μορφή για να σχηματίσουν μια τρισδιάστατη δομή στενής στοιβασίας. Αυτή η δομή του προσδίδει εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα, δεύτερη μόνο μετά το διαμάντι. Η δομή του r-BN βρίσκεται μεταξύ του εξαγωνικού και του κυβικού νιτριδίου του βορίου. Και η κρυσταλλική δομή του είναι σχετικά πιο πολύπλοκη, με σχετικά λιγότερη έρευνα και εφαρμογή.

Η διάταξη των ατόμων

Το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου είναι πολυεπίπεδο και τα άτομα βορίου και αζώτου στο ίδιο στρώμα συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς. Κάθε άτομο βορίου περιβάλλεται από τρία άτομα αζώτου, σχηματίζοντας δεσμούς Β-Ν με μήκος δεσμού 0,145 nm. Αυτοί οι δεσμοί σχηματίζουν ένα εξαγωνικό δίκτυο που εκτείνεται απείρως στο επίπεδο. Τα άτομα μέσα σε κάθε στρώμα είναι διατεταγμένα στενά και με τάξη, ενώ τα στρώματα συγκρατούνται μεταξύ τους με δυνάμεις van der Waals. Η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων είναι περίπου 0,333 nm. Στο κυβικό νιτρίδιο βορίου, τα άτομα βορίου και αζώτου σχηματίζουν τετραεδρικές δομές μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Κάθε ένα από αυτά συνδέεται με τέσσερα αντίθετα άτομα, καθιστώντας το σκληρό και σταθερό.

Υβριδισμός ανόργανου γραφίτη

Στο νιτρίδιο του βορίου, τα άτομα βορίου και αζώτου στο εξαγωνικό και κυβικό νιτρίδιο του βορίου είναι κυρίως sp²υβριδοποιημένα. (Το κυβικό νιτρίδιο του βορίου έχει μικρή ποσότητα sp³υβριδισμού). Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου, τα sp²υβριδοποιημένα τροχιακά των ατόμων βορίου και αζώτου επικαλύπτονται για να σχηματίσουν δεσμούςσ, σχηματίζοντας ένα εξαγωνικό επίπεδο. Τα υπόλοιπα μη υβριδοποιημένα τροχιακά p είναι κάθετα στο επίπεδο και επικαλύπτονται ώμο με ώμο για να σχηματίσουν αποεντοπισμένους δεσμούςπ, παρόμοια με τον υβριδισμό του γραφίτη. Αυτό είναι το κλειδί για τις παρόμοιες ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητές του.

Σύγκριση με τις ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ της δομής του γραφίτη

Οι ομοιότητες μεταξύ του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου και του γραφίτη είναι ότι και οι δύο έχουν στρωματοποιημένη δομή, με ομοιοπολικούς δεσμούς εντός των στρωμάτων και δυνάμεις van der Waals μεταξύ των στρωμάτων. Τα άτομα σχηματίζουν delocalizedπ δεσμούς μέσω sp²υβριδισμού και έχουν ορισμένη ηλεκτρική αγωγιμότητα και θερμική αγωγιμότητα. Οι διαφορές έγκεινται στο ότι οι δυνάμεις μεταξύ των στρωμάτων στο γραφίτη είναι ασθενέστερες, καθιστώντας ευκολότερη την ολίσθηση και τη λίπανση. Και ο γραφίτης αποτελείται από άτομα άνθρακα, ενώ το νιτρίδιο του βορίου αποτελείται από άτομα βορίου και αζώτου. Οι ατομικές ηλεκτραρνητικότητες είναι διαφορετικές και οι χημικές και ορισμένες φυσικές τους ιδιότητες είναι επίσης διαφορετικές.

Ιδιότητες του ανόργανου γραφίτη

Φυσικές ιδιότητες

Ο ανόργανος γραφίτης (λαμβάνοντας ως παράδειγμα το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου) έχει καλή λιπαντική ικανότητα λόγω των ασθενών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των στρωμάτων στη στρωματοποιημένη δομή του. Η πυκνότητά του είναι περίπου 2,27 g/cm³ και έχει πλεονεκτήματα στην αεροδιαστημική και σε άλλους τομείς όπου το βάρος είναι κρίσιμος παράγοντας. Το κυβικό νιτρίδιο βορίου έχει εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα, με σκληρότητα Mohs 9,5 - 10. Και μπορείτε συχνά να το χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή υλικών ανθεκτικών στη φθορά, όπως κοπτικά εργαλεία.

Χημικές ιδιότητες

Το νιτρίδιο του βορίου έχει καλή χημική σταθερότητα, οπότε δεν αντιδρά με το νερό ή τα κοινά οξέα και βάσεις σε θερμοκρασία δωματίου. Και είναι σχετικά σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες και σε ισχυρά οξέα και βάσεις. Υποβάλλεται μόνο σε αργή οξείδωση παρουσία υψηλών θερμοκρασιών, ισχυρών οξειδωτικών ουσιών κ.λπ. Αυτό του επιτρέπει να χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή με σκληρά χημικά περιβάλλοντα.

Θερμικές ιδιότητες

Ο ανόργανος γραφίτης έχει εξαιρετικές θερμικές ιδιότητες. Η θερμική αγωγιμότητα του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου φτάνει τα 300 - 400 W/(m-K), γεγονός που ευνοεί την απαγωγή θερμότητας σε ηλεκτρονικές συσκευές. Το σημείο τήξης του είναι περίπου 3000°C και η δομή και οι ιδιότητές του παραμένουν σταθερές σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό το καθιστά κατάλληλο ως υλικό θερμικής προστασίας στην αεροδιαστημική και σε άλλους τομείς.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου είναι ένα ημιαγωγικό υλικό με ευρύ χάσμα ζώνης με πλάτος χάσματος ζώνης περίπου 6,4 eV. Έχει μοναδική προοπτική στον τομέα των ημιαγωγών. Λόγω των αποεστιασμένων δεσμών μεγάλου π μεταξύ των στρωμάτων, έχει ορισμένη αγωγιμότητα, αλλά είναι ασθενέστερη από τα μέταλλα.

Μέθοδος παρασκευής ανόργανου γραφίτη

Μέθοδος σύνθεσης σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση

Η μέθοδος αυτή λειτουργεί σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας 1000 - 2000 ℃ και υψηλής πίεσης 5 - 10 GPa. Ως πρώτες ύλες χρησιμοποιούνται σκόνη βορίου, βορικά άλατα και άλλες πηγές βορίου, καθώς και αμμωνία και αέριο άζωτο κ.λπ. Για την προώθηση της αντίδρασης των ατόμων βορίου και αζώτου για τη δημιουργία κρυστάλλων νιτριδίου του βορίου. Αυτή η μέθοδος παράγει κυβικό και εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου με υψηλή κρυσταλλικότητα και καθαρότητα, το οποίο είναι κατάλληλο για την παραγωγή κοπτικών εργαλείων υψηλής ποιότητας. Ωστόσο, ο εξοπλισμός είναι ακριβός, η κατανάλωση ενέργειας υψηλή και η απόδοση χαμηλή.

Χημική εναπόθεση ατμών

Χρησιμοποιεί βοράνιο και άλλες αέριες πηγές βορίου, αμμωνία και άλλες πηγές αζώτου κ.λπ. Για τη μεταφορά τους στο θάλαμο αντίδρασης υπό την κοινή δράση υψηλής θερμοκρασίας και καταλυτών. Αντιδρά στην επιφάνεια του υποστρώματος για να σχηματίσει ένα φιλμ νιτριδίου του βορίου. Μπορεί να ελέγξει με ακρίβεια το πάχος και την ποιότητα του φιλμ και χρησιμοποιείται συχνά στην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών. Όπως η παρασκευή μονωτικών στρωμάτων τρανζίστορ επίδρασης πεδίου με βάση το νιτρίδιο βορίου. Ωστόσο, ο εξοπλισμός είναι πολύπλοκος, το κόστος είναι υψηλό και η ταχύτητα ανάπτυξης είναι αργή.

Μέθοδος Sol-gel

Αυτή η μέθοδος είναι μια ήπια μέθοδος παρασκευής. Πρώτον, διαλύστε βορικούς εστέρες και άλλες πηγές βορίου, οργανικές αμίνες και άλλες πηγές αζώτου σε οργανικούς διαλύτες για να σχηματίσετε ένα ομοιόμορφο διάλυμα. Μετά από υδρόλυση και συμπύκνωση, σχηματίζεται ένα διαλύτη. Στη συνέχεια, παλαιώνεται, ξηραίνεται και μετατρέπεται σε γέλη. Τέλος, υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας για την αποσύνθεση των οργανικών συστατικών και τη δημιουργία νιτριδίου του βορίου. Η μέθοδος αυτή είναι απλή στη λειτουργία, έχει χαμηλό κόστος και είναι εύκολο να παραχθεί σε μεγάλη κλίμακα. Μπορεί να παράγει σκόνη νιτριδίου του βορίου υψηλής καθαρότητας, αλλά η κρυσταλλικότητα είναι φτωχή και πρέπει να βελτιστοποιηθεί.

Πεδίο εφαρμογής του ανόργανου γραφίτη

Ηλεκτρονικός τομέας

Semiconductor  

Είναι ημιαγωγός με ευρύ χάσμα ζώνης. Η απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου με βάση το νιτρίδιο βορίου είναι ανώτερη από εκείνη των παραδοσιακών προϊόντων με βάση το πυρίτιο. Οι λυχνίες LED που κατασκευάζονται με νιτρίδιο βορίου μπορούν να εκπέμπουν φως μικρού μήκους κύματος και μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για υπεριώδη επικοινωνία και απολύμανση.

Hτρώει την απορρόφηση ηλεκτρονικών συσκευών  

Στα τσιπ υπολογιστών, στους επεξεργαστές κινητών τηλεφώνων και σε άλλες συσκευές, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως ψύκτρες ή επιστρώσεις. Μπορεί να διαχέει γρήγορα τη θερμότητα και να βελτιώσει την απόδοση και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής.

Ενεργειακό πεδίο

Bυλικά ηλεκτροδίων κεραίας  

Έχει υψηλή θεωρητική ειδική χωρητικότητα και σταθερή απόδοση κατά την ανακύκλωση, μελετάται για χρήση σε μπαταρίες ιόντων λιθίου, ιόντων νατρίου κ.λπ. Το ηλεκτρόδια με υλικά άνθρακα τα σύνθετα υλικά μπορούν να βελτιώσουν το ρυθμό και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Hυλικό αποθήκευσης υδρογόνου  

Λόγω της ιδιαίτερης δομής και των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του, μπορεί να προσροφά και να αποθηκεύει υδρογόνο. Μετά από επεξεργασία τροποποίησης, η ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου και η σταθερότητα μπορούν να βελτιωθούν.

Αεροδιαστημικός τομέας

Tυλικά θερμικής προστασίας  

Έχει υψηλό σημείο τήξης, καλή θερμική σταθερότητα και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Όταν ένα αεροσκάφος πετάει με μεγάλη ταχύτητα, τα υλικά θερμικής προστασίας με βάση το νιτρίδιο του βορίου μπορούν να αποτρέψουν την είσοδο θερμότητας και να προστατεύσουν την εσωτερική δομή και τον εξοπλισμό.

Aανταλλακτικά ircraft  

Έχει χαμηλή πυκνότητα και υψηλή αντοχή. Τα βασικά σύνθετα υλικά του χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πτερύγων αεροσκαφών, δομικών στοιχείων της ατράκτου κ.λπ. Μπορεί να μειώσει το βάρος και να βελτιώσει τη δομική αντοχή και αξιοπιστία.

Τομέας μηχανημάτων

Hλιπαντικό υψηλής θερμοκρασίας  

Η στρωματοποιημένη δομή του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου το κάνει να έχει καλή λιπαντικότητα και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Έτσι, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως λιπαντικό σε διαδικασίες παραγωγής υψηλής θερμοκρασίας για να μειώσετε την τριβή, να μειώσετε τη φθορά και να βελτιώσετε την απόδοση.

Wυλικό που αντιστέκεται στα αυτιά

Το κυβικό νιτρίδιο βορίου έχει υψηλή σκληρότητα. Τα εργαλεία και τα εργαλεία λείανσης που κατασκευάζονται από αυτό έχουν εξαιρετική αντοχή στη φθορά και απόδοση κοπής κατά την κοπή και τη λείανση. Και μπορεί να βελτιώσει την ακρίβεια επεξεργασίας και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του εργαλείου.

Συμπέρασμα

Ο ανόργανος γραφίτης (νιτρίδιο του βορίου) έχει μοναδική δομή, εξαιρετική απόδοση και ποικίλες μεθόδους παρασκευής. Αν και αντιμετωπίζει προκλήσεις όπως το κόστος και η μαζική παραγωγή. Με την ανάπτυξη της έρευνας και της τεχνολογίας, αναμένεται να κάνει τομές σε περισσότερους τομείς.