Grafito inorgánico - Guía completa

El desarrollo de la ciencia de los materiales promueve el progreso social y siguen apareciendo nuevos tipos de materiales. El nitruro de boro y grafito inorgánico, por su similitud con el grafito y su composición química única, tiene un rendimiento excelente y un gran potencial de aplicación. Y se ha convertido en un punto caliente de la investigación en ciencia de materiales.

Nombre del grafito inorgánico

¿Por qué el nitruro de boro se denomina grafito inorgánico?

El nitruro de boro se denomina grafito inorgánico porque tiene un aspecto similar al grafito, ya que ambos están estratificados y tienen un tacto resbaladizo. La estructura cristalina hexagonal del nitruro de boro también es similar a la del grafito, y tiene una buena estabilidad térmica. Sin embargo, el grafito está compuesto por elementos de carbono, mientras que el nitruro de boro es un compuesto de nitrógeno y boro.

Estructura del grafito inorgánico

Fórmula del grafito inorgánico

Grafito inorgánico - conocido como nitruro de borocuya fórmula química es BN. En el nitruro de boro, el boro (B) y el nitrógeno (N) están unidos químicamente en una proporción estequiométrica 1:1 mediante enlaces covalentes. La configuración electrónica externa de los átomos de boro es 2s²2p¹, y la de los átomos de nitrógeno es 2s²2p³. Durante la formación del nitruro de boro, los átomos de boro aportan 3 electrones de valencia, y los átomos de nitrógeno también aportan 3 electrones para participar en el enlace. La interacción de estos electrones forma enlaces covalentes estables, que constituyen la unidad estructural básica del nitruro de boro.

Análisis detallado de la estructura cristalina

El nitruro de boro existe principalmente en tres estructuras cristalinas: nitruro de boro hexagonal (h-BN), nitruro de boro cúbico (c-BN) y nitruro de boro romboédrico (r-BN). El H-BN tiene una estructura en capas similar a la del grafito, en la que cada capa está formada por átomos de boro y nitrógeno alternados en una red plana hexagonal. Las capas interactúan entre sí mediante fuerzas de Van der Waals relativamente débiles. Y esta estructura en capas dota al nitruro de boro hexagonal de buenas propiedades de lubricación y cierta pelabilidad. La estructura cristalina del c-BN es similar a la del diamante, con átomos de boro y nitrógeno conectados de forma tetraédrica para formar una estructura tridimensional muy compacta. Esta estructura le confiere una dureza extremadamente alta, sólo superada por el diamante. La estructura del r-BN se sitúa entre el nitruro de boro hexagonal y el cúbico. Y su estructura cristalina es relativamente más compleja, con relativamente menos investigación y aplicación.

La disposición de los átomos

El nitruro de boro hexagonal está formado por capas, y los átomos de boro y nitrógeno de la misma capa están conectados por enlaces covalentes. Cada átomo de boro está rodeado por tres átomos de nitrógeno, formando enlaces B-N con una longitud de enlace de 0,145 nm. Estos enlaces forman una red hexagonal que se extiende infinitamente en el plano. Los átomos de cada capa están dispuestos de forma estrecha y ordenada, mientras que las capas se mantienen unidas por fuerzas de van der Waals. La separación entre capas es de aproximadamente 0,333 nm. En el nitruro de boro cúbico, los átomos de boro y nitrógeno forman estructuras tetraédricas mediante enlaces covalentes. Cada uno de ellos se une a cuatro átomos opuestos, lo que le confiere dureza y estabilidad.

Hibridación de grafito inorgánico

En el nitruro de boro, los átomos de boro y nitrógeno del nitruro de boro hexagonal y cúbico están principalmente sp²hibridados. (El nitruro de boro cúbico tiene una pequeña cantidad de sp³hibridación). Si tomamos como ejemplo el nitruro de boro hexagonal, los orbitales sp²hibridados de los átomos de boro y nitrógeno se solapan para formar enlacesσ, formando un plano hexagonal. Los orbitales p no hibridados restantes son perpendiculares al plano y se solapan hombro con hombro para formar enlacesπ deslocalizados, de forma similar a la hibridación del grafito. Esta es la clave de sus propiedades eléctricas y térmicas similares.

Comparación con las similitudes y diferencias entre la estructura del grafito

Las similitudes entre el nitruro de boro hexagonal y el grafito son que ambos tienen estructuras en capas, con enlaces covalentes dentro de las capas y fuerzas de van der Waals entre las capas. Los átomos forman enlacesπ deslocalizados mediante hibridación sp², y tienen cierta conductividad eléctrica y conductividad térmica. Las diferencias radican en que las fuerzas entre capas en el grafito son más débiles, lo que facilita el deslizamiento y la lubricación. Y el grafito se compone de átomos de carbonomientras que el nitruro de boro está compuesto por átomos de boro y nitrógeno. Las electronegatividades atómicas son diferentes, y sus propiedades químicas y algunas físicas también lo son.

Propiedades del grafito inorgánico

Propiedades físicas

El grafito inorgánico (tomando como ejemplo el nitruro de boro hexagonal) tiene una buena lubricidad debido a las débiles interacciones entre capas de su estructura estratificada. Su densidad es de aproximadamente 2,27 g/cm³, y presenta ventajas en el sector aeroespacial y otros campos en los que el peso es un factor crítico. El nitruro de boro cúbico tiene una dureza extremadamente alta, con una dureza Mohs de 9,5 - 10. Y suele utilizarse para fabricar materiales resistentes al desgaste, como herramientas de corte.

Propiedades químicas

El nitruro de boro tiene una buena estabilidad química, por lo que no reacciona con el agua ni con los ácidos y bases comunes a temperatura ambiente. Y es relativamente estable a altas temperaturas y ácidos y bases fuertes. Sólo sufre una lenta oxidación en presencia de altas temperaturas, oxidantes fuertes, etc. Esto permite que se utilice ampliamente en la producción industrial con entornos químicos agresivos.

Propiedades térmicas

El grafito inorgánico tiene excelentes propiedades térmicas. La conductividad térmica del nitruro de boro hexagonal es de hasta 300 - 400 W/(m-K), lo que favorece la disipación del calor de los dispositivos electrónicos. Su punto de fusión es de aproximadamente 3000°C, y su estructura y propiedades permanecen estables a altas temperaturas. Esto lo hace adecuado como material de protección térmica en el sector aeroespacial y otros campos.

Propiedades eléctricas

El nitruro de boro hexagonal es un material semiconductor de banda ancha con una anchura de banda de aproximadamente 6,4 eV. Tiene una perspectiva única en el campo de los semiconductores. Debido a los grandes enlaces π deslocalizados entre capas, tiene cierta conductividad, pero es más débil que los metales.

Método de preparación del grafito inorgánico

Método de síntesis a alta temperatura y alta presión

Este método funciona en condiciones de 1000 - 2000℃alta temperatura y 5 - 10 GPa alta presión. Se utilizan como materias primas polvo de boro, borato y otras fuentes de boro, así como amoníaco y gas nitrógeno, etc. Promover la reacción de los átomos de boro y nitrógeno para formar cristales de nitruro de boro. Este método produce nitruro de boro cúbico y hexagonal con alta cristalinidad y pureza, que es adecuado para la producción de herramientas de corte de alta gama. Sin embargo, el equipo es caro, el consumo de energía elevado y el rendimiento bajo.

Deposición química de vapor

Utiliza borano y otras fuentes gaseosas de boro, amoníaco y otras fuentes de nitrógeno, etc. Para transportarlos a la cámara de reacción bajo la acción conjunta de alta temperatura y catalizadores. Reacciona en la superficie del sustrato para formar una película de nitruro de boro. Puede controlar con precisión el grosor y la calidad de la película y se utiliza a menudo en la fabricación de dispositivos semiconductores. Por ejemplo, en la preparación de capas aislantes de transistores de efecto de campo a base de nitruro de boro. Sin embargo, el equipo es complejo, el coste es elevado y la velocidad de crecimiento es lenta.

Método sol-gel

Este método es un método de preparación suave. En primer lugar, se disuelven ésteres de borato y otras fuentes de boro, aminas orgánicas y otras fuentes de nitrógeno en disolventes orgánicos para formar una solución uniforme. Tras hidrólisis y condensación, se forma un sol. A continuación, se envejece, se seca y se transforma en un gel. Por último, se somete a un tratamiento térmico a alta temperatura para descomponer los componentes orgánicos y generar nitruro de boro. Este método es sencillo de utilizar, tiene un bajo coste y es fácil de producir a gran escala. Puede producir polvo de nitruro de boro de gran pureza, pero la cristalinidad es pobre y debe optimizarse.

Campo de aplicación del grafito inorgánico

Campo electrónico

Semiconductor  

Es un semiconductor de banda prohibida ancha. El rendimiento a altas temperaturas de los transistores de efecto de campo basados en nitruro de boro es superior al de los productos tradicionales basados en silicio. Los LED fabricados con nitruro de boro pueden emitir luz de onda corta y se pueden utilizar para comunicación y desinfección ultravioleta.

Hcomer disipación de dispositivos electrónicos  

En chips de ordenador, procesadores de teléfonos móviles y otros dispositivos, puede utilizarse como disipador de calor o revestimiento. Puede disipar rápidamente el calor y mejorar el rendimiento y alargar la vida útil.

Campo de energía

Bmateriales para electrodos de cerámica  

Tiene una alta capacidad específica teórica y un rendimiento estable en ciclos, se estudia su uso en baterías de iones de litio, iones de sodio, etc. El electrodos con materiales de carbono pueden mejorar la velocidad y la vida útil de la batería.

Hmaterial de almacenamiento de hidrógeno  

Gracias a su estructura especial y a sus propiedades electrónicas, puede adsorber y almacenar hidrógeno. Tras un tratamiento de modificación, se puede mejorar su capacidad de almacenamiento de hidrógeno y su estabilidad.

Sector aeroespacial

Tmateriales de protección térmica  

Tiene un alto punto de fusión, buena estabilidad térmica y baja conductividad térmica. Cuando un avión vuela a gran velocidad, los materiales de protección térmica a base de nitruro de boro pueden evitar la entrada de calor y proteger la estructura interna y los equipos.

Apiezas ircraft  

Tiene una baja densidad y una alta resistencia. Sus materiales compuestos de base se utilizan para fabricar alas de avión, componentes estructurales del fuselaje, etc. Puede reducir el peso y mejorar la resistencia estructural y la fiabilidad.

Maquinaria

Hubricante de alta temperatura  

La estructura en capas del nitruro de boro hexagonal le confiere una buena lubricidad y estabilidad a altas temperaturas. Por eso puede usarse como lubricante en procesos de producción a alta temperatura para reducir la fricción, reducir el desgaste y mejorar la eficiencia.

Wmaterial resistente a los oídos

El nitruro de boro cúbico tiene una gran dureza. Las herramientas y útiles de rectificado fabricados con él tienen una excelente resistencia al desgaste y rendimiento de corte durante el corte y el rectificado. Y puede mejorar la precisión de procesamiento y prolongar la vida útil de la herramienta.

Conclusión

El grafito inorgánico (nitruro de boro) tiene una estructura única, un rendimiento excelente y diversos métodos de preparación. Aunque se enfrenta a retos como el coste y la producción en masa. Con el desarrollo de la investigación y la tecnología, se espera que logre avances en más campos.