Grafite inorgânico - um guia abrangente

O desenvolvimento da ciência dos materiais promove o progresso social e novos tipos de materiais continuam surgindo. O nitreto de boro de grafite inorgânico, devido à sua semelhança com o grafite e à sua composição química exclusiva, tem excelente desempenho e grande potencial de aplicação. Além disso, tornou-se um ponto importante de pesquisa na ciência dos materiais.

Nome do grafite inorgânico

Por que o nitreto de boro é chamado de grafite inorgânico?

O nitreto de boro é chamado de grafite inorgânico porque tem uma aparência semelhante à do grafite, sendo ambos em camadas e com um toque escorregadio. A estrutura cristalina hexagonal do nitreto de boro também é semelhante à do grafite, e ele tem boa estabilidade térmica. Entretanto, o grafite é composto de elementos de carbono, enquanto o nitreto de boro é um composto de nitrogênio e boro.

Estrutura do grafite inorgânico

Fórmula do grafite inorgânico

Grafite inorgânico - também conhecido como nitreto de borocuja fórmula química é BN. No nitreto de boro, o boro (B) e o nitrogênio (N) são ligados quimicamente em uma proporção estequiométrica de 1:1 por meio de ligações covalentes. A configuração eletrônica externa dos átomos de boro é 2s²2p¹, e a dos átomos de nitrogênio é 2s²2p³. Durante a formação do nitreto de boro, os átomos de boro fornecem 3 elétrons de valência, e os átomos de nitrogênio também fornecem 3 elétrons para participar da ligação. A interação desses elétrons forma ligações covalentes estáveis, que constituem a unidade estrutural básica do nitreto de boro.

Análise detalhada da estrutura cristalina

O nitreto de boro existe principalmente em três estruturas cristalinas: nitreto de boro hexagonal (h-BN), nitreto de boro cúbico (c-BN) e nitreto de boro romboédrico (r-BN). O H-BN tem uma estrutura em camadas semelhante à do grafite, com cada camada formada por átomos alternados de boro e nitrogênio em uma rede planar hexagonal. As camadas interagem umas com as outras por meio de forças de van der Waals relativamente fracas. E essa estrutura em camadas confere ao nitreto de boro hexagonal boas propriedades de lubrificação e certa capacidade de descascamento. A estrutura cristalina do c-BN é semelhante à do diamante, com átomos de boro e nitrogênio conectados em uma forma tetraédrica para formar uma estrutura tridimensional de empacotamento fechado. Essa estrutura lhe confere uma dureza extremamente alta, perdendo apenas para o diamante. A estrutura do r-BN está entre o nitreto de boro hexagonal e cúbico. E sua estrutura cristalina é relativamente mais complexa, com relativamente menos pesquisas e aplicações.

O arranjo dos átomos

O nitreto de boro hexagonal é disposto em camadas, e os átomos de boro e nitrogênio na mesma camada são conectados por ligações covalentes. Cada átomo de boro é cercado por três átomos de nitrogênio, formando ligações B-N com um comprimento de ligação de 0,145 nm. Essas ligações formam uma rede hexagonal que se estende infinitamente no plano. Os átomos dentro de cada camada estão dispostos de forma próxima e ordenada, enquanto as camadas são mantidas juntas por forças de van der Waals. O espaçamento entre as camadas é de aproximadamente 0,333 nm. No nitreto de boro cúbico, os átomos de boro e nitrogênio formam estruturas tetraédricas por meio de ligações covalentes. Cada um deles se conecta a quatro átomos opostos, tornando-o duro e estável.

Hibridização de grafite inorgânico

No nitreto de boro, os átomos de boro e nitrogênio no nitreto de boro hexagonal e cúbico são principalmente hibridizados com sp². (O nitreto de boro cúbico tem uma pequena quantidade de hibridização sp³). Tomando o nitreto de boro hexagonal como exemplo, os orbitais sp²-hibridizados dos átomos de boro e nitrogênio se sobrepõem para formar ligaçõesσ, formando um plano hexagonal. Os orbitais p não hibridizados restantes são perpendiculares ao plano e se sobrepõem ombro a ombro para formar ligações π deslocalizadas, semelhantes à hibridização do grafite. Essa é a chave para suas propriedades elétricas e térmicas semelhantes.

Comparação com as semelhanças e diferenças entre a estrutura do grafite

As semelhanças entre o nitreto de boro hexagonal e o grafite são que ambos têm estruturas em camadas, com ligações covalentes dentro das camadas e forças de van der Waals entre as camadas. Os átomos formam ligações deslocalizadas por meio de hibridização sp² e têm certa condutividade elétrica e térmica. As diferenças estão no fato de que as forças entre camadas no grafite são mais fracas, facilitando o deslizamento e a lubrificação. E o grafite é composto de átomos de carbonoenquanto o nitreto de boro é composto de átomos de boro e nitrogênio. As eletronegatividades atômicas são diferentes, e suas propriedades químicas e algumas propriedades físicas também são diferentes.

Propriedades do grafite inorgânico

Propriedades físicas

O grafite inorgânico (tomando como exemplo o nitreto de boro hexagonal) tem boa lubricidade devido às fracas interações entre camadas em sua estrutura em camadas. Sua densidade é de aproximadamente 2,27 g/cm³ e apresenta vantagens no setor aeroespacial e em outros campos em que o peso é um fator crítico. O nitreto cúbico de boro tem uma dureza extremamente alta, com uma dureza Mohs de 9,5 a 10. E você pode usá-lo com frequência para fabricar materiais resistentes ao desgaste, como ferramentas de corte.

Propriedades químicas

O nitreto de boro tem boa estabilidade química, portanto não reage com água ou ácidos e bases comuns em temperatura ambiente. E é relativamente estável em altas temperaturas e com ácidos e bases fortes. Ele só sofre oxidação lenta na presença de altas temperaturas, oxidantes fortes, etc.. Isso permite que ele seja amplamente utilizado na produção industrial com ambientes químicos agressivos.

Propriedades térmicas

O grafite inorgânico tem excelentes propriedades térmicas. A condutividade térmica do nitreto de boro hexagonal é de até 300 - 400 W/(m-K), o que favorece a dissipação de calor de dispositivos eletrônicos. Seu ponto de fusão é de aproximadamente 3000°C, e sua estrutura e propriedades permanecem estáveis em altas temperaturas. Isso o torna adequado como material de proteção térmica na indústria aeroespacial e em outros campos.

Propriedades elétricas

O nitreto de boro hexagonal é um material semicondutor de banda larga com uma largura de banda de aproximadamente 6,4 eV. Ele tem uma perspectiva única no campo dos semicondutores. Devido às grandes ligações π deslocalizadas entre as camadas, ele tem certa condutividade, mas é mais fraco do que os metais.

Método de preparação de grafite inorgânico

Método de síntese de alta temperatura e alta pressão

Esse método opera sob condições de 1000 a 2000°C de alta temperatura e 5 a 10 GPa de alta pressão. Boro em pó, borato e outras fontes de boro, bem como amônia e gás nitrogênio, etc., são usados como matérias-primas. Para promover a reação de átomos de boro e nitrogênio para formar cristais de nitreto de boro. Esse método produz nitreto de boro cúbico e hexagonal com alta cristalinidade e pureza, o que é adequado para a produção de ferramentas de corte de alta qualidade. No entanto, o equipamento é caro, o consumo de energia é alto e a produção é baixa.

Deposição de vapor químico

Ele usa borano e outras fontes de boro gasoso, amônia e outras fontes de nitrogênio, etc.. Para transportá-los para a câmara de reação sob a ação conjunta de alta temperatura e catalisadores. Ele reage na superfície do substrato para formar um filme de nitreto de boro. Ele pode controlar com precisão a espessura e a qualidade do filme e é frequentemente usado na fabricação de dispositivos semicondutores. Por exemplo, a preparação de camadas isolantes de transistores de efeito de campo à base de nitreto de boro. No entanto, o equipamento é complexo, o custo é alto e a velocidade de crescimento é lenta.

Método sol-gel

Esse método é um método de preparação leve. Primeiro, dissolva os ésteres de borato e outras fontes de boro, aminas orgânicas e outras fontes de nitrogênio em solventes orgânicos para formar uma solução uniforme. Após a hidrólise e a condensação, forma-se um sol. Em seguida, ele é envelhecido, seco e transformado em um gel. Por fim, ele passa por um tratamento térmico de alta temperatura para decompor os componentes orgânicos e gerar nitreto de boro. Esse método é simples de operar, tem baixo custo e é fácil de produzir em grande escala. Ele pode produzir pó de nitreto de boro de alta pureza, mas a cristalinidade é ruim e precisa ser otimizada.

Campo de aplicação do grafite inorgânico

Campo eletrônico

Semicondutores  

É um semicondutor de banda larga. O desempenho em altas temperaturas dos transistores de efeito de campo à base de nitreto de boro é superior ao dos produtos tradicionais à base de silício. Os LEDs fabricados com nitreto de boro podem emitir luz de ondas curtas e podem ser usados para comunicação e desinfecção ultravioleta.

Hdissipação de calor de dispositivos eletrônicos  

Em chips de computador, processadores de telefones celulares e outros dispositivos, pode ser usado como dissipador de calor ou revestimento. Ele pode dissipar rapidamente o calor, melhorar o desempenho e prolongar a vida útil.

Campo de energia

Bmateriais de eletrodos de cerâmica  

Possui alta capacidade específica teórica e desempenho estável em ciclos, sendo estudado para uso em baterias de íons de lítio, íons de sódio, etc. O eletrodos com materiais de carbono podem melhorar a taxa e o ciclo de vida da bateria.

Hmaterial de armazenamento de hidrogênio  

Devido à sua estrutura especial e propriedades eletrônicas, ele pode adsorver e armazenar hidrogênio. Após o tratamento de modificação, a capacidade e a estabilidade de armazenamento de hidrogênio podem ser aprimoradas.

Área aeroespacial

Tmateriais de proteção térmica  

Ele tem alto ponto de fusão, boa estabilidade térmica e baixa condutividade térmica. Quando uma aeronave está voando em alta velocidade, os materiais de proteção térmica à base de nitreto de boro podem impedir a entrada de calor e proteger a estrutura interna e os equipamentos.

APeças para aeronaves  

Ele tem baixa densidade e alta resistência. Seus materiais compostos básicos são usados para fabricar asas de aeronaves, componentes estruturais da fuselagem, etc. Ele pode reduzir o peso e melhorar a resistência estrutural e a confiabilidade.

Campo de máquinas

Hlubrificante para altas temperaturas  

A estrutura em camadas do nitreto de boro hexagonal faz com que ele tenha boa lubricidade e estabilidade em altas temperaturas. Portanto, você pode usá-lo como lubrificante em processos de produção de alta temperatura para reduzir o atrito, o desgaste e melhorar a eficiência.

WMaterial resistente ao ouvido

O nitreto cúbico de boro tem alta dureza. As ferramentas e as ferramentas de esmerilhamento feitas com ele têm excelente resistência ao desgaste e desempenho de corte durante o corte e o esmerilhamento. Além disso, podem melhorar a precisão do processamento e aumentar a vida útil da ferramenta.

Conclusão

O grafite inorgânico (nitreto de boro) tem uma estrutura exclusiva, excelente desempenho e diversos métodos de preparação. Embora enfrente desafios como custo e produção em massa. Com o desenvolvimento da pesquisa e da tecnologia, espera-se que ele faça avanços em mais campos.