Неорганический графит - исчерпывающее руководство

Развитие материаловедения способствует социальному прогрессу, и постоянно появляются новые виды материалов. Неорганический нитрид бора с графитом, благодаря сходству с графитом и уникальному химическому составу, обладает отличными характеристиками и большим потенциалом применения. Он стал одной из горячих точек исследования в материаловедении.

Название неорганического графита

Почему нитрид бора называют неорганическим графитом?

Нитрид бора называют неорганическим графитом, потому что по внешнему виду он похож на графит: оба слоистые и скользкие на ощупь. Гексагональная кристаллическая структура нитрида бора также похожа на структуру графита, и он обладает хорошей термической стабильностью. Однако графит состоит из углеродных элементов, а нитрид бора - это соединение азота с бором.

Структура неорганического графита

Формула неорганического графита

Неорганический графит - так же известен как нитрид борахимическая формула которого BN. В нитриде бора бор (B) и азот (N) химически связаны друг с другом ковалентными связями в стехиометрическом соотношении 1:1. Внешняя электронная конфигурация атомов бора - 2s²2p¹, а атомов азота - 2s²2p³. При образовании нитрида бора атомы бора отдают 3 валентных электрона, а атомы азота также отдают 3 электрона для участия в связях. Взаимодействие этих электронов образует устойчивые ковалентные связи, которые и составляют основную структурную единицу нитрида бора.

Детальный анализ кристаллической структуры

Нитрид бора существует в основном в трех кристаллических структурах: гексагональный нитрид бора (h-BN), кубический нитрид бора (c-BN) и ромбоэдрический нитрид бора (r-BN). H-BN имеет слоистую структуру, похожую на графит, каждый слой образован чередованием атомов бора и азота в гексагональной плоскостной сети. Слои взаимодействуют друг с другом посредством относительно слабых ван-дер-ваальсовых сил. Такая слоистая структура наделяет гексагональный нитрид бора хорошими смазывающими свойствами и определенной способностью к отслаиванию. Кристаллическая структура c-BN похожа на структуру алмаза: атомы бора и азота соединены в тетраэдрической форме, образуя трехмерную структуру с плотной упаковкой. Такая структура придает ему чрезвычайно высокую твердость, уступающую только алмазу. Структура r-BN находится между гексагональным и кубическим нитридом бора. Его кристаллическая структура относительно более сложна, а исследования и применение относительно меньше.

Расположение атомов

Гексагональный нитрид бора имеет слоистую структуру, атомы бора и азота в одном слое соединены ковалентными связями. Каждый атом бора окружен тремя атомами азота, образуя связи B-N с длиной связи 0,145 нм. Эти связи образуют гексагональную сеть, простирающуюся бесконечно в плоскости. Атомы внутри каждого слоя расположены близко и упорядоченно, а сами слои удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса. Межслоевое расстояние составляет примерно 0,333 нм. В кубическом нитриде бора атомы бора и азота образуют тетраэдрические структуры за счет ковалентных связей. Каждый из них соединяется с четырьмя противоположными атомами, что делает его твердым и стабильным.

Гибридизация неорганического графита

В нитриде бора атомы бора и азота в гексагональном и кубическом нитриде бора в основном sp²гибридизованы. (Кубический нитрид бора имеет небольшое количество sp³гибридизации). Если взять в качестве примера гексагональный нитрид бора, то sp²гибридизированные орбитали атомов бора и азота перекрываются, образуяσ-связи, формирующие гексагональную плоскость. Остальные негибридизированные p-орбитали перпендикулярны плоскости и перекрываются плечом к плечу, образуя делокализованныеπ-связи, аналогично гибридизации графита. Это является ключом к схожим электрическим и тепловым свойствам.

Сравнение сходств и различий между структурой графита

Сходство между гексагональным нитридом бора и графитом заключается в том, что они оба имеют слоистую структуру с ковалентными связями внутри слоев и ван-дер-ваальсовыми силами между ними. Атомы образуют делокализованныеπ-связи посредством sp²гибридизации, обладают определенной электропроводностью и теплопроводностью. Отличия заключаются в том, что межслоевые силы в графите слабее, что облегчает скольжение и смазку. Графит состоит из атомы углеродаВ то время как нитрид бора состоит из атомов бора и азота. Электроотрицательности атомов различны, химические и некоторые физические свойства также отличаются.

Свойства неорганического графита

Физические свойства

Неорганический графит (на примере гексагонального нитрида бора) обладает хорошей смазывающей способностью благодаря слабым межслойным взаимодействиям в его слоистой структуре. Его плотность составляет примерно 2,27 г/см³, и он имеет преимущества в аэрокосмической и других областях, где вес является критическим фактором. Кубический нитрид бора обладает чрезвычайно высокой твердостью - 9,5 - 10 единиц по шкале Мооса. Его часто используют для изготовления износостойких материалов, например режущих инструментов.

Химические свойства

Нитрид бора обладает хорошей химической стабильностью, поэтому при комнатной температуре он не вступает в реакцию с водой или обычными кислотами и основаниями. При этом он относительно стабилен при высоких температурах и воздействии сильных кислот и щелочей. Он подвергается медленному окислению только в присутствии высоких температур, сильных окислителей и т. д.. Это позволяет широко использовать его в промышленном производстве с агрессивной химической средой.

Тепловые свойства

Неорганический графит обладает превосходными тепловыми свойствами. Теплопроводность гексагонального нитрида бора достигает 300 - 400 Вт/(м-К), что способствует отводу тепла в электронных устройствах. Температура его плавления составляет около 3000 °C, а структура и свойства остаются стабильными при высоких температурах. Это делает его пригодным для использования в качестве теплозащитного материала в аэрокосмической и других областях.

Электрические свойства

Гексагональный нитрид бора - широкозонный полупроводниковый материал с шириной полосы пропускания около 6,4 эВ. Он имеет уникальные перспективы в области полупроводников. Благодаря делокализованным большим π-связям между слоями он обладает определенной проводимостью, но слабее, чем металлы.

Метод получения неорганического графита

Метод синтеза при высокой температуре и высоком давлении

Этот метод работает в условиях высокой температуры 1000 - 2000℃ и высокого давления 5 - 10 ГПа. В качестве сырья используются порошок бора, борат и другие источники бора, а также аммиак, газообразный азот и т.д. Для содействия реакции бора и атомов азота с образованием кристаллов нитрида бора. Этот метод позволяет получить кубический и гексагональный нитрид бора с высокой степенью кристалличности и чистоты, который подходит для производства высококлассных режущих инструментов. Однако оборудование дорого, энергопотребление высокое, а производительность низкая.

Химическое осаждение из паровой фазы

В нем используются боран и другие газообразные источники бора, аммиак и другие источники азота и т.д.. Для их транспортировки в реакционную камеру под совместным действием высокой температуры и катализаторов. Они вступают в реакцию на поверхности подложки, образуя пленку нитрида бора. Она может точно контролировать толщину и качество пленки и часто используется в производстве полупроводниковых приборов. Например, для получения изолирующих слоев полевых транзисторов на основе нитрида бора. Однако оборудование сложное, стоимость высокая, а скорость роста медленная.

Золь-гель метод

Этот метод представляет собой мягкий способ приготовления. Сначала растворяют боратные эфиры и другие источники бора, органические амины и другие источники азота в органических растворителях до образования однородного раствора. После гидролиза и конденсации образуется соль. Затем его выдерживают, сушат и превращают в гель. Наконец, он подвергается высокотемпературной термообработке для разложения органических компонентов и получения нитрида бора. Этот метод прост в эксплуатации, имеет низкую стоимость и легко поддается крупномасштабному производству. Он позволяет получать порошок нитрида бора высокой чистоты, но его кристалличность оставляет желать лучшего и требует оптимизации.

Область применения неорганического графита

Электронное поле

Sполупроводник  

Это полупроводник с широкой полосой пропускания. Высокотемпературные характеристики полевых транзисторов на основе нитрида бора превосходят традиционные кремниевые. Светодиоды, изготовленные на основе нитрида бора, могут излучать коротковолновый свет, и их можно использовать для ультрафиолетовой связи и дезинфекции.

HРассеивание пищи в электронных устройствах  

В компьютерных чипах, процессорах мобильных телефонов и других устройствах его можно использовать в качестве теплоотводов или покрытий. Он может быстро рассеивать тепло, улучшать производительность и продлевать срок службы.

Энергетическое поле

Bматериалы для изготовления электродов  

Он обладает высокой теоретической удельной емкостью и стабильными циклическими характеристиками, изучается для использования в литий-ионных, натрий-ионных и др. аккумуляторах. На сайте электроды с углеродные материалы Композиты могут улучшить скорость и срок службы батареи.

Hматериал для хранения йдрогена  

Благодаря своей особой структуре и электронным свойствам он может адсорбировать и хранить водород. После модификационной обработки емкость и стабильность хранения водорода могут быть улучшены.

Аэрокосмическая отрасль

Tтеплозащитные материалы  

Он имеет высокую температуру плавления, хорошую термическую стабильность и низкую теплопроводность. Когда самолет летит на высокой скорости, теплозащитные материалы на основе нитрида бора могут предотвратить проникновение тепла и защитить внутреннюю структуру и оборудование.

Aзапчасти ircraft  

Он обладает низкой плотностью и высокой прочностью. Композитные материалы на его основе используются для изготовления крыльев самолетов, конструктивных элементов фюзеляжа и т. д.. Он позволяет снизить вес и повысить прочность и надежность конструкции.

Область машиностроения

Hвысокотемпературная смазка  

Слоистая структура гексагонального нитрида бора обеспечивает ему хорошую смазывающую способность и высокотемпературную стабильность. Поэтому вы можете использовать его в качестве смазки в высокотемпературных производственных процессах для снижения трения, уменьшения износа и повышения эффективности.

Wматериал, защищающий уши

Кубический нитрид бора обладает высокой твердостью. Инструменты и шлифовальные инструменты, изготовленные из него, обладают отличной износостойкостью и режущими свойствами при резке и шлифовке. Кроме того, он может повысить точность обработки и продлить срок службы инструмента.

Заключение

Неорганический графит (нитрид бора) обладает уникальной структурой, отличными характеристиками и разнообразными методами получения. Однако он сталкивается с такими проблемами, как стоимость и массовое производство. С развитием исследований и технологий ожидается, что он совершит прорыв во многих областях.