Grafit Anorganik - Panduan Komprehensif

Perkembangan ilmu material mendorong kemajuan sosial dan jenis material baru terus bermunculan. Boron nitrida grafit anorganik, karena kemiripannya dengan grafit dan komposisi kimianya yang unik, memiliki kinerja yang sangat baik dan potensi yang besar untuk diaplikasikan. Dan telah menjadi hotspot penelitian dalam ilmu material.

Nama grafit anorganik

Mengapa boron nitrida disebut grafit anorganik?

Boron nitrida disebut grafit anorganik karena memiliki tampilan yang mirip dengan grafit, keduanya berlapis-lapis dan memiliki sentuhan yang licin. Struktur kristal heksagonal boron nitrida juga mirip dengan grafit, dan memiliki stabilitas termal yang baik. Namun demikian, grafit tersusun atas unsur karbon, sedangkan boron nitrida adalah senyawa nitrogen-boron.

Struktur grafit anorganik

Formula grafit anorganik

Grafit anorganik - yang dikenal sebagai boron nitridayang rumus kimianya adalah BN. Dalam boron nitrida, boron (B) dan nitrogen (N) terikat secara kimiawi dengan rasio stoikiometri 1:1 melalui ikatan kovalen. Konfigurasi elektron terluar atom boron adalah 2s²2p¹, dan atom nitrogen adalah 2s²2p³. Selama pembentukan boron nitrida, atom boron menyediakan 3 elektron valensi, dan atom nitrogen juga menyediakan 3 elektron untuk berpartisipasi dalam ikatan. Interaksi elektron-elektron ini membentuk ikatan kovalen yang stabil, yang merupakan unit struktur dasar boron nitrida.

Analisis terperinci tentang struktur kristal

Boron nitrida terutama ada dalam tiga struktur kristal: boron nitrida heksagonal (h-BN), boron nitrida kubik (c-BN), dan boron nitrida rhombohedral (r-BN). H-BN memiliki struktur berlapis yang mirip dengan grafit, dengan setiap lapisan dibentuk oleh atom boron dan nitrogen yang bergantian dalam jaringan planar heksagonal. Lapisan-lapisan berinteraksi satu sama lain melalui gaya van der Waals yang relatif lemah. Dan struktur berlapis ini memberikan boron nitrida heksagonal dengan sifat pelumasan yang baik dan kemampuan pengelupasan tertentu. Struktur kristal c-BN mirip dengan berlian, dengan atom boron dan nitrogen yang terhubung dalam bentuk tetrahedral untuk membentuk struktur padat tiga dimensi. Struktur ini memberinya kekerasan yang sangat tinggi, nomor dua setelah berlian. Struktur r-BN terletak di antara heksagonal dan boron nitrida kubik. Dan struktur kristalnya relatif lebih kompleks, dengan penelitian dan aplikasi yang relatif lebih sedikit.

Susunan atom

Boron nitrida heksagonal berlapis-lapis, dan atom boron serta nitrogen pada lapisan yang sama dihubungkan oleh ikatan kovalen. Setiap atom boron dikelilingi oleh tiga atom nitrogen, membentuk ikatan B-N dengan panjang ikatan 0,145 nm. Ikatan ini membentuk jaringan heksagonal yang memanjang tanpa batas pada bidang. Atom-atom di dalam setiap lapisan tersusun rapat dan teratur, sementara lapisan-lapisan tersebut disatukan oleh gaya van der Waals. Jarak antar lapisan sekitar 0,333 nm. Dalam boron nitrida kubik, atom boron dan nitrogen membentuk struktur tetrahedral melalui ikatan kovalen. Masing-masing terhubung ke empat atom yang berlawanan, membuatnya keras dan stabil.

Hibridisasi grafit anorganik

Dalam boron nitrida, atom boron dan nitrogen dalam boron nitrida heksagonal dan kubik sebagian besar mengalami hibridisasi. (Boron nitrida kubik memiliki sejumlah kecil hibridisasi sp). Mengambil boron nitrida heksagonal sebagai contoh, orbital sp² hibridisasi atom boron dan nitrogen tumpang tindih membentuk ikatanσ, membentuk bidang heksagonal. Orbital p yang tidak terhibridisasi yang tersisa tegak lurus terhadap bidang dan saling tumpang tindih untuk membentuk ikatan π yang terdelokalisasi, mirip dengan hibridisasi grafit. Ini adalah kunci dari sifat listrik dan termalnya yang serupa.

Perbandingan dengan persamaan dan perbedaan antara struktur grafit

Kesamaan antara boron nitrida heksagonal dan grafit adalah keduanya memiliki struktur berlapis, dengan ikatan kovalen di dalam lapisan dan gaya van der Waals di antara lapisan. Atom-atomnya membentuk ikatan π terdelokalisasi melalui hibridisasi sp², dan memiliki konduktivitas listrik dan konduktivitas termal tertentu. Perbedaannya terletak pada gaya antar lapisan pada grafit yang lebih lemah, sehingga lebih mudah untuk digeser dan dilumasi. Dan grafit terdiri atas atom karbonsedangkan boron nitrida terdiri dari atom boron dan nitrogen. Elektronegatifitas atomnya berbeda, dan sifat kimia serta beberapa sifat fisiknya juga berbeda.

Sifat-sifat grafit anorganik

Sifat fisik

Grafit anorganik (mengambil boron nitrida heksagonal sebagai contoh) memiliki pelumasan yang baik karena interaksi antar lapisan yang lemah dalam struktur berlapisnya. Kepadatannya sekitar 2,27 g/cm³, dan memiliki keunggulan di bidang kedirgantaraan dan bidang lain di mana berat merupakan faktor penting. Boron nitrida kubik memiliki kekerasan yang sangat tinggi, dengan kekerasan Mohs 9,5 - 10. Dan Anda dapat sering menggunakannya untuk membuat bahan tahan aus seperti alat pemotong.

Sifat kimiawi

Boron nitrida memiliki stabilitas kimia yang baik, sehingga tidak bereaksi dengan air atau asam dan basa umum pada suhu kamar. Dan relatif stabil pada suhu tinggi serta asam dan basa kuat. Ini hanya mengalami oksidasi lambat dengan adanya suhu tinggi, oksidan kuat, dll.. Hal ini memungkinkannya digunakan secara luas dalam produksi industri dengan lingkungan kimia yang keras.

Sifat termal

Grafit anorganik memiliki sifat termal yang sangat baik. Konduktivitas termal boron nitrida heksagonal mencapai 300 - 400 W/(m-K), yang kondusif untuk pembuangan panas pada perangkat elektronik. Titik lelehnya sekitar 3000 ° C, dan struktur serta sifatnya tetap stabil pada suhu tinggi. Hal ini membuatnya cocok sebagai bahan perlindungan termal di ruang angkasa dan bidang lainnya.

Sifat listrik

Boron nitrida heksagonal adalah bahan semikonduktor celah pita lebar dengan lebar celah pita sekitar 6,4 eV. Bahan ini memiliki prospek yang unik di bidang semikonduktor. Karena ikatan π besar yang terdelokalisasi antar lapisan, ia memiliki konduktivitas tertentu, tetapi lebih lemah dari logam.

Metode persiapan grafit anorganik

Metode sintesis suhu tinggi dan tekanan tinggi

Metode ini beroperasi dalam kondisi suhu tinggi 1000 - 2000 ℃ dan tekanan tinggi 5 - 10 GPa. Serbuk boron, borat, dan sumber boron lainnya, serta gas amonia dan nitrogen, dll., digunakan sebagai bahan baku. Untuk mendorong reaksi atom boron dan nitrogen membentuk kristal boron nitrida. Metode ini menghasilkan boron nitrida kubik dan heksagonal dengan kristalinitas dan kemurnian tinggi, yang cocok untuk produksi alat pemotong kelas atas. Namun, peralatannya mahal, konsumsi energinya tinggi, dan outputnya rendah.

Deposisi uap kimia

Ini menggunakan borane dan sumber boron gas lainnya, amonia dan sumber nitrogen lainnya, dll.. Untuk mengangkutnya ke ruang reaksi di bawah aksi gabungan suhu tinggi dan katalis. Bereaksi pada permukaan substrat untuk membentuk film boron nitrida. Ini dapat dengan tepat mengontrol ketebalan dan kualitas film dan sering digunakan dalam pembuatan perangkat semikonduktor. Seperti persiapan lapisan isolasi transistor efek medan berbasis boron nitrida. Namun, peralatannya rumit, biayanya tinggi, dan kecepatan pertumbuhannya lambat.

Metode sol-gel

Metode ini adalah metode persiapan yang ringan. Pertama, larutkan ester borat dan sumber boron lainnya, amina organik, dan sumber nitrogen lainnya dalam pelarut organik untuk membentuk larutan yang seragam. Setelah hidrolisis dan kondensasi, terbentuklah larutan. Kemudian, ia didiamkan, dikeringkan, dan diubah menjadi gel. Akhirnya, ia mengalami perlakuan panas suhu tinggi untuk menguraikan komponen organik dan menghasilkan boron nitrida. Metode ini mudah dioperasikan, berbiaya rendah, dan mudah diproduksi dalam skala besar. Metode ini dapat menghasilkan bubuk boron nitrida dengan kemurnian tinggi, tetapi kristalinitasnya buruk dan perlu dioptimalkan.

Bidang aplikasi grafit anorganik

Bidang elektronik

Semikonduktor  

Ini adalah semikonduktor celah pita yang lebar. Performa suhu tinggi transistor efek medan berbasis boron nitrida lebih unggul daripada produk berbasis silikon tradisional. LED yang dibuat dengan boron nitrida dapat memancarkan cahaya gelombang pendek dan Anda dapat menggunakannya untuk komunikasi ultraviolet dan desinfeksi.

Hmakan disipasi perangkat elektronik  

Pada chip komputer, prosesor ponsel dan perangkat lainnya, Anda dapat menggunakannya sebagai heat sink atau pelapis. Ini dapat dengan cepat menghilangkan panas dan meningkatkan performa serta memperpanjang masa pakai.

Bidang energi

Bbahan elektroda baterai  

Ini memiliki kapasitas spesifik teoretis yang tinggi dan kinerja bersepeda yang stabil, dipelajari untuk digunakan dalam baterai lithium-ion, natrium-ion, dll. Itu elektroda dengan bahan karbon komposit dapat meningkatkan laju dan masa pakai baterai.

Hbahan penyimpanan ydrogen  

Karena struktur khusus dan sifat elektroniknya, ia dapat menyerap dan menyimpan hidrogen. Setelah perawatan modifikasi, kapasitas dan stabilitas penyimpanan hidrogen dapat ditingkatkan.

Bidang kedirgantaraan

Tbahan perlindungan hermal  

Bahan ini memiliki titik leleh yang tinggi, stabilitas termal yang baik, dan konduktivitas termal yang rendah. Ketika pesawat terbang dengan kecepatan tinggi, bahan perlindungan termal berbasis boron nitrida dapat mencegah masuknya panas dan melindungi struktur dan peralatan internal.

Abagian pesawat terbang  

Memiliki kepadatan yang rendah dan kekuatan yang tinggi. Material komposit dasarnya digunakan untuk membuat sayap pesawat, komponen struktural badan pesawat, dll.. Dapat mengurangi berat dan meningkatkan kekuatan dan keandalan struktural.

Bidang mesin

HPelumas suhu tinggi  

Struktur berlapis boron nitrida heksagonal membuatnya memiliki pelumasan yang baik dan stabilitas suhu tinggi. Jadi, Anda dapat menggunakannya sebagai pelumas dalam proses produksi bersuhu tinggi untuk mengurangi gesekan, mengurangi keausan, dan meningkatkan efisiensi.

Wbahan penahan telinga

Boron nitrida kubik memiliki kekerasan yang tinggi. Perkakas dan alat gerinda yang terbuat dari bahan ini memiliki ketahanan aus yang sangat baik dan performa pemotongan selama pemotongan dan penggerindaan. Dan dapat meningkatkan akurasi pemrosesan dan memperpanjang usia pakai alat.

Kesimpulan

Grafit anorganik (boron nitrida) memiliki struktur yang unik, kinerja yang sangat baik, dan metode persiapan yang beragam. Meskipun menghadapi tantangan seperti biaya dan produksi massal. Dengan berkembangnya penelitian dan teknologi, diharapkan dapat membuat terobosan di lebih banyak bidang.