Anorganisch grafiet - Een uitgebreide gids

De ontwikkeling van de materiaalkunde bevordert de sociale vooruitgang en er ontstaan steeds nieuwe soorten materialen. Anorganisch grafiet boornitride, vanwege de gelijkenis met grafiet en de unieke chemische samenstelling, heeft uitstekende prestaties en een groot toepassingspotentieel. En het is een hotspot voor onderzoek in de materiaalkunde geworden.

Naam anorganisch grafiet

Waarom wordt boornitride anorganisch grafiet genoemd?

Boornitride wordt anorganisch grafiet genoemd omdat het er net zo uitziet als grafiet, omdat het gelaagd is en glad aanvoelt. De zeshoekige kristalstructuur van boornitride lijkt ook op die van grafiet en het heeft een goede thermische stabiliteit. Grafiet bestaat echter uit koolstofelementen, terwijl boornitride een stikstof-boorverbinding is.

Structuur van anorganisch grafiet

Anorganisch grafiet formule

Anorganisch grafiet - ook bekend als boornitridewaarvan de chemische formule BN is. In boornitride zijn boor (B) en stikstof (N) chemisch met elkaar verbonden in een stoichiometrische verhouding van 1:1 door middel van covalente bindingen. De buitenste elektronenconfiguratie van booratomen is 2s²2p¹ en die van stikstofatomen is 2s²2p³. Tijdens de vorming van boornitride leveren booratomen 3 valentie-elektronen en leveren stikstofatomen ook 3 elektronen om deel te nemen aan de binding. De interactie van deze elektronen vormt stabiele covalente bindingen, die de structurele basiseenheid van boornitride vormen.

Gedetailleerde analyse van kristalstructuur

Boornitride bestaat voornamelijk in drie kristalstructuren: hexagonaal boornitride (h-BN), kubisch boornitride (c-BN) en rhombohedraal boornitride (r-BN). H-BN heeft een gelaagde structuur die lijkt op grafiet, waarbij elke laag wordt gevormd door afwisselend boor- en stikstofatomen in een hexagonaal planair netwerk. Lagen interageren met elkaar door relatief zwakke van der Waals krachten. En deze gelaagde structuur geeft hexagonaal boornitride goede smeereigenschappen en een zekere afpelbaarheid. De kristalstructuur van c-BN is vergelijkbaar met die van diamant, met boor- en stikstofatomen die tetrahedraal met elkaar verbonden zijn om een driedimensionale dicht op elkaar gepakte structuur te vormen. Door deze structuur heeft het een extreem hoge hardheid, alleen na diamant. De structuur van r-BN ligt tussen hexagonaal en kubisch boornitride in. En de kristalstructuur is relatief complexer, met relatief minder onderzoek en toepassing.

De rangschikking van atomen

Hexagonaal boornitride is gelaagd en de boor- en stikstofatomen in dezelfde laag zijn verbonden door covalente bindingen. Elk booratoom is omgeven door drie stikstofatomen, die B-N bindingen vormen met een bindingslengte van 0,145 nm. Deze bindingen vormen een hexagonaal netwerk dat zich oneindig in het vlak uitstrekt. De atomen binnen elke laag zijn nauw en ordelijk gerangschikt, terwijl de lagen bij elkaar worden gehouden door van der Waals krachten. De afstand tussen de lagen is ongeveer 0,333 nm. In kubisch boornitride vormen de boor- en stikstofatomen tetraëderstructuren door middel van covalente bindingen. Elk van hen verbindt zich met vier tegenoverliggende atomen, waardoor het hard en stabiel is.

Anorganisch grafiet hybridisatie

In boornitride zijn de boor- en stikstofatomen in hexagonaal en kubisch boornitride voornamelijk sp²hybridisch. (Kubisch boornitride heeft een kleine hoeveelheid sp³hybridisatie). Als we hexagonaal boornitride als voorbeeld nemen, overlappen de sp²hybridized orbitalen van boor- en stikstofatomen elkaar omσbindingen te vormen en zo een hexagonaal vlak te vormen. De resterende ongehybridiseerde p-banen staan loodrecht op het vlak en overlappen schouder aan schouder om gedelokaliseerdeπ bindingen te vormen, vergelijkbaar met de hybridisatie van grafiet. Dit is de sleutel tot de vergelijkbare elektrische en thermische eigenschappen.

Vergelijking met de overeenkomsten en verschillen tussen grafietstructuur

De overeenkomsten tussen hexagonaal boornitride en grafiet zijn dat ze beide een gelaagde structuur hebben, met covalente bindingen binnen de lagen en van der Waals krachten tussen de lagen. De atomen vormen gedelokaliseerdeπ bindingen door middel van sp²hybridisatie, en hebben een bepaalde elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid. Het verschil zit hem in het feit dat de interlaagse krachten in grafiet zwakker zijn, waardoor het gemakkelijker glijdt en smeert. En grafiet is samengesteld uit koolstofatomenterwijl boornitride is samengesteld uit boor- en stikstofatomen. De atomaire elektronegativiteiten zijn verschillend en hun chemische en sommige fysische eigenschappen zijn ook verschillend.

Eigenschappen van anorganisch grafiet

Fysische eigenschappen

Anorganisch grafiet (met hexagonaal boornitride als voorbeeld) heeft een goede smeerbaarheid door de zwakke interacties tussen de lagen in de gelaagde structuur. De dichtheid is ongeveer 2,27 g/cm³ en het heeft voordelen in de ruimtevaart en andere gebieden waar gewicht een kritische factor is. Kubisch boornitride heeft een extreem hoge hardheid, met een Mohs hardheid van 9,5 - 10. En je kunt het vaak gebruiken om slijtvaste materialen te maken, zoals snijgereedschappen.

Chemische eigenschappen

Boornitride heeft een goede chemische stabiliteit, dus het reageert niet met water of gewone zuren en basen bij kamertemperatuur. En het is relatief stabiel bij hoge temperaturen en sterke zuren en basen. Het ondergaat alleen langzame oxidatie in aanwezigheid van hoge temperaturen, sterke oxidanten, enz. Hierdoor kan het op grote schaal worden gebruikt in industriële productie met zware chemische omgevingen.

Thermische eigenschappen

Anorganisch grafiet heeft uitstekende thermische eigenschappen. De thermische geleidbaarheid van hexagonaal boornitride is tot 300 - 400 W/(m-K), wat bevorderlijk is voor de warmteafvoer van elektronische apparaten. Het smeltpunt ligt rond 3000 °C en de structuur en eigenschappen blijven stabiel bij hoge temperaturen. Dit maakt het geschikt als thermisch beschermingsmateriaal in de ruimtevaart en op andere gebieden.

Elektrische eigenschappen

Hexagonaal boornitride is een halfgeleidermateriaal met een grote bandbreedte van ongeveer 6,4 eV. Het heeft een uniek vooruitzicht op het gebied van halfgeleiders. Door de gedelokaliseerde grote π bindingen tussen de lagen heeft het een zeker geleidingsvermogen, maar het is zwakker dan metalen.

Bereidingsmethode van anorganisch grafiet

Synthesemethode bij hoge temperatuur en hoge druk

Deze methode werkt onder de omstandigheden van 1000 - 2000℃ hoge temperatuur en 5 - 10 GPa hoge druk. Als grondstoffen worden boorpoeder, boraat en andere boorbronnen gebruikt, evenals ammoniak en stikstofgas, enz. Om de reactie van boor en stikstofatomen te bevorderen om boornitride kristallen te vormen. Deze methode produceert kubusvormig en zeshoekig boornitride met een hoge kristalliniteit en zuiverheid, dat geschikt is voor de productie van hoogwaardige snijgereedschappen. De apparatuur is echter duur, het energieverbruik hoog en de output laag.

Chemische dampdepositie

Het gebruikt boraan en andere gasvormige boorbronnen, ammoniak en andere stikstofbronnen, enz. Om ze naar de reactiekamer te transporteren onder de gezamenlijke actie van hoge temperatuur en katalysatoren. Het reageert op het substraatoppervlak om een boornitride film te vormen. Het kan de dikte en kwaliteit van de film nauwkeurig regelen en wordt vaak gebruikt bij de productie van halfgeleiderapparaten. Zoals de bereiding van isolatielagen op basis van boornitride voor veldeffecttransistors. De apparatuur is echter complex, de kosten zijn hoog en de groeisnelheid is laag.

Solgelmethode

Deze methode is een milde bereidingsmethode. Los eerst boraatesters en andere boorbronnen, organische amines en andere stikstofbronnen op in organische oplosmiddelen om een uniforme oplossing te vormen. Na hydrolyse en condensatie wordt een oplossing gevormd. Daarna wordt het verouderd, gedroogd en omgezet in een gel. Ten slotte ondergaat het een warmtebehandeling bij hoge temperatuur om de organische componenten af te breken en boornitride te genereren. Deze methode is eenvoudig te gebruiken, heeft lage kosten en is gemakkelijk op grote schaal te produceren. Het kan zeer zuiver boornitridepoeder produceren, maar de kristalliniteit is slecht en moet worden geoptimaliseerd.

Toepassingsgebied van anorganisch grafiet

Elektronisch veld

Semiconductor  

Het is een halfgeleider met een brede bandkloof. De prestaties bij hoge temperaturen van op boornitride gebaseerde veldeffecttransistors zijn superieur aan die van traditionele op silicium gebaseerde producten. LED's gemaakt met boornitride kunnen korte-golf licht uitzenden en je kunt het gebruiken voor ultraviolette communicatie en desinfectie.

Heet dissipatie van elektronische apparaten  

In computerchips, processors van mobiele telefoons en andere apparaten kun je het gebruiken als koellichaam of coating. Het kan snel warmte afvoeren, de prestaties verbeteren en de levensduur verlengen.

Energieveld

Battery elektrode materialen  

Het heeft een hoge theoretische specifieke capaciteit en stabiele cyclische prestaties, en wordt bestudeerd voor gebruik in lithium-ion-, natrium-ion-batterijen, enz. De elektroden met koolstofmaterialen composieten kunnen de snelheid en levensduur van de batterij verbeteren.

Hydrogen opslagmateriaal  

Door zijn speciale structuur en elektronische eigenschappen kan het waterstof adsorberen en opslaan. Na modificatiebehandeling kunnen de waterstofopslagcapaciteit en stabiliteit worden verbeterd.

Ruimtevaart

Tthermische beschermingsmaterialen  

Het heeft een hoog smeltpunt, een goede thermische stabiliteit en een lage thermische geleidbaarheid. Wanneer een vliegtuig met hoge snelheid vliegt, kunnen thermische beschermingsmaterialen op basis van boornitride voorkomen dat hitte binnendringt en de interne structuur en apparatuur beschermen.

Aircraft onderdelen  

Het heeft een lage dichtheid en hoge sterkte. De basis composietmaterialen worden gebruikt voor de productie van vliegtuigvleugels, structurele onderdelen van de romp, enz. Het kan het gewicht verminderen en de structurele sterkte en betrouwbaarheid verbeteren.

Machines

Hsmeermiddel voor hoge temperaturen  

De gelaagde structuur van hexagonaal boornitride zorgt voor een goede smering en stabiliteit bij hoge temperaturen. Je kunt het dus gebruiken als smeermiddel in productieprocessen bij hoge temperaturen om wrijving en slijtage te verminderen en de efficiëntie te verbeteren.

Woorbestendig materiaal

Kubisch boornitride heeft een hoge hardheid. De gereedschappen en slijpgereedschappen die ervan gemaakt zijn hebben een uitstekende slijtvastheid en snijprestaties tijdens het snijden en slijpen. En het kan de bewerkingsnauwkeurigheid verbeteren en de standtijd verlengen.

Conclusie

Anorganisch grafiet (boornitride) heeft een unieke structuur, uitstekende prestaties en diverse bereidingsmethoden. Hoewel het te maken heeft met uitdagingen zoals kosten en massaproductie. Met de ontwikkeling van onderzoek en technologie zal het naar verwachting op meer gebieden doorbraken maken.