İnorganik Grafit - Kapsamlı Bir Kılavuz

Malzeme biliminin gelişimi toplumsal ilerlemeyi desteklemekte ve yeni malzeme türleri ortaya çıkmaya devam etmektedir. Grafite benzerliği ve benzersiz kimyasal bileşimi nedeniyle inorganik grafit bor nitrür, mükemmel performansa ve uygulama için büyük potansiyele sahiptir. Ve malzeme biliminde bir araştırma noktası haline gelmiştir.

İnorganik grafit adı

Bor nitrür neden inorganik grafit olarak adlandırılır?

Bor nitrür inorganik grafit olarak adlandırılır çünkü grafite benzer bir görünüme sahiptir, hem katmanlıdır hem de kaygan bir dokunuşa sahiptir. Bor nitrürün altıgen kristal yapısı da grafitinkine benzer ve iyi bir termal stabiliteye sahiptir. Ancak grafit karbon elementlerinden oluşurken, bor nitrür bir azot-bor bileşiğidir.

İnorganik grafitin yapısı

İnorganik grafit formülü

İnorganik grafit - olarak bilinen bor nitrürkimyasal formülü BN'dir. Bor nitrürde, bor (B) ve azot (N) kovalent bağlar aracılığıyla 1:1 stokiyometrik oranda kimyasal olarak birbirine bağlanır. Bor atomlarının dış elektron konfigürasyonu 2s²2p¹, azot atomlarınınki ise 2s²2p³'tür. Bor nitrür oluşumu sırasında, bor atomları 3 değerlik elektronu sağlar ve nitrojen atomları da bağlanmaya katılmak için 3 elektron sağlar. Bu elektronların etkileşimi, bor nitrürün temel yapısal birimini oluşturan kararlı kovalent bağları oluşturur.

Kristal yapının detaylı analizi

Bor nitrür esas olarak üç kristal yapıda bulunur: altıgen bor nitrür (h-BN), kübik bor nitrür (c-BN) ve rombohedral bor nitrür (r-BN). H-BN, grafite benzer katmanlı bir yapıya sahiptir ve her katman altıgen düzlemsel bir ağda değişen bor ve nitrojen atomlarından oluşur. Katmanlar birbirleriyle nispeten zayıf van der Waals kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girer. Ve bu katmanlı yapı altıgen bor nitrüre iyi yağlama özellikleri ve belirli soyulabilirlik kazandırır. c-BN'nin kristal yapısı elmasınkine benzer; bor ve nitrojen atomları tetrahedral bir biçimde bağlanarak üç boyutlu yakın paketlenmiş bir yapı oluşturur. Bu yapı ona elmastan sonra ikinci sırada gelen son derece yüksek bir sertlik kazandırır. r-BN'nin yapısı altıgen ve kübik bor nitrür arasında yer alır. Ve kristal yapısı nispeten daha az araştırma ve uygulama ile nispeten daha karmaşıktır.

Atomların düzenlenmesi

Altıgen bor nitrür katmanlıdır ve aynı katmandaki bor ve nitrojen atomları kovalent bağlarla birbirine bağlıdır. Her bir bor atomu üç nitrojen atomu tarafından çevrelenerek 0,145 nm bağ uzunluğuna sahip B-N bağları oluşturur. Bu bağlar düzlemde sonsuza kadar uzanan altıgen bir ağ oluşturur. Her bir katman içindeki atomlar yakın ve düzenli bir şekilde düzenlenirken, katmanlar van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulur. Katmanlar arası boşluk yaklaşık 0,333 nm'dir. Kübik bor nitrürde, bor ve nitrojen atomları kovalent bağlar aracılığıyla tetrahedral yapılar oluşturur. Her biri dört karşıt atoma bağlanır, bu da onu sert ve kararlı hale getirir.

İnorganik grafit hibridizasyonu

Bor nitrürde, altıgen ve kübik bor nitrürdeki bor ve azot atomları esas olarak sp²hibritleşmiştir. (Kübik bor nitrürde az miktarda sp³hibridizasyon vardır). Örnek olarak altıgen bor nitrür ele alındığında, bor ve azot atomlarının sp²hibridize orbitalleri üst üste gelerekσbağları oluşturur ve altıgen bir düzlem oluşturur. Geriye kalan hibritleşmemiş p orbitalleri düzleme diktir ve grafitin hibritleşmesine benzer şekilde delokalizeπbağları oluşturmak için omuz omuza örtüşürler. Bu, benzer elektriksel ve termal özelliklerinin anahtarıdır.

Grafit yapısı arasındaki benzerlikler ve farklılıklar ile karşılaştırma

Altıgen bor nitrür ve grafit arasındaki benzerlikler, her ikisinin de katmanlar içinde kovalent bağlar ve katmanlar arasında van der Waals kuvvetleri ile katmanlı yapılara sahip olmalarıdır. Atomlar, sp²hibridizasyon yoluyla delokalizeπbağları oluşturur ve belirli elektrik iletkenliğine ve termal iletkenliğe sahiptir. Farklılıklar, grafitteki katmanlar arası kuvvetlerin daha zayıf olmasından kaynaklanır, bu da kaymayı ve yağlamayı kolaylaştırır. Ve grafit şunlardan oluşur karbon atomlarıbor nitrür ise bor ve nitrojen atomlarından oluşur. Atomik elektronegatiflikleri farklıdır ve kimyasal ve bazı fiziksel özellikleri de farklıdır.

İnorganik grafitin özellikleri

Fiziksel özellikler

İnorganik grafit (örnek olarak altıgen bor nitrürü ele alalım) katmanlı yapısındaki zayıf katmanlar arası etkileşimler nedeniyle iyi bir kayganlığa sahiptir. Yoğunluğu yaklaşık 2,27 g/cm³'tür ve ağırlığın kritik bir faktör olduğu havacılık ve diğer alanlarda avantajlara sahiptir. Kübik bor nitrür, 9,5 - 10 Mohs sertliği ile son derece yüksek sertliğe sahiptir. Ve genellikle kesici takımlar gibi aşınmaya dayanıklı malzemeler üretmek için kullanabilirsiniz.

Kimyasal özellikler

Bor nitrür iyi bir kimyasal stabiliteye sahiptir, bu nedenle oda sıcaklığında su veya yaygın asit ve bazlarla reaksiyona girmez. Ve yüksek sıcaklıklarda ve güçlü asit ve bazlarda nispeten kararlıdır. Sadece yüksek sıcaklıklar, güçlü oksidanlar vb. varlığında yavaş oksidasyona uğrar. Bu, zorlu kimyasal ortamlara sahip endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanılmasını sağlar.

Termal özellikler

İnorganik grafit mükemmel termal özelliklere sahiptir. Altıgen bor nitrürün termal iletkenliği 300 - 400 W/(m-K)'ye kadar çıkmaktadır ve bu da elektronik cihazların ısı dağılımına elverişlidir. Erime noktası yaklaşık 3000°C'dir ve yapısı ve özellikleri yüksek sıcaklıklarda sabit kalır. Bu da onu havacılık ve diğer alanlarda termal koruma malzemesi olarak uygun hale getirir.

Elektriksel özellikler

Altıgen bor nitrür, yaklaşık 6,4 eV bant aralığı genişliğine sahip geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzemedir. Yarı iletken alanında benzersiz bir potansiyele sahiptir. Katmanlar arasındaki delokalize büyük π bağları nedeniyle, belirli bir iletkenliğe sahiptir, ancak metallerden daha zayıftır.

İnorganik grafit hazırlama yöntemi

Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç sentez yöntemi

Bu yöntem 1000 - 2000 ℃ yüksek sıcaklık ve 5 - 10 GPa yüksek basınç koşulları altında çalışır. Bor tozu, borat ve diğer bor kaynaklarının yanı sıra amonyak ve nitrojen gazı vb. hammadde olarak kullanılır. Bor nitrür kristalleri oluşturmak için bor ve nitrojen atomlarının reaksiyonunu teşvik etmek. Bu yöntem, üst düzey kesici takımların üretimi için uygun olan yüksek kristallik ve saflığa sahip kübik ve altıgen bor nitrür üretir. Ancak ekipman pahalıdır, enerji tüketimi yüksektir ve çıktı düşüktür.

Kimyasal buhar biriktirme

Boran ve diğer gaz halindeki bor kaynaklarını, amonyak ve diğer azot kaynaklarını vb. kullanır. Bunları yüksek sıcaklık ve katalizörlerin ortak etkisi altında reaksiyon odasına taşımak için. Bir bor nitrür filmi oluşturmak için substrat yüzeyinde reaksiyona girer. Filmin kalınlığını ve kalitesini hassas bir şekilde kontrol edebilir ve genellikle yarı iletken cihaz üretiminde kullanılır. Bor nitrür bazlı alan etkili transistör yalıtım katmanlarının hazırlanması gibi. Ancak ekipman karmaşıktır, maliyeti yüksektir ve büyüme hızı yavaştır.

Sol-jel yöntemi

Bu yöntem hafif bir hazırlama yöntemidir. İlk olarak, borat esterleri ve diğer bor kaynakları, organik aminler ve diğer azot kaynakları organik çözücülerde çözülerek homojen bir çözelti oluşturulur. Hidroliz ve yoğuşmadan sonra bir sol oluşur. Daha sonra yaşlandırılır, kurutulur ve bir jele dönüştürülür. Son olarak, organik bileşenleri ayrıştırmak ve bor nitrür oluşturmak için yüksek sıcaklıkta ısıl işleme tabi tutulur. Bu yöntemin kullanımı basittir, maliyeti düşüktür ve büyük ölçekte üretilmesi kolaydır. Yüksek saflıkta bor nitrür tozu üretebilir, ancak kristalinite zayıftır ve optimize edilmesi gerekir.

İnorganik grafitin uygulama alanı

Elektronik alan

Semiconductor  

Geniş bant aralıklı bir yarı iletkendir. Bor nitrür bazlı alan etkili transistörlerin yüksek sıcaklık performansı, geleneksel silikon bazlı ürünlerden daha üstündür. Bor nitrür ile üretilen LED'ler kısa dalga ışık yayabilir ve bunu ultraviyole iletişim ve dezenfeksiyon için kullanabilirsiniz.

Helektronik cihazların yemek yayılımı  

Bilgisayar çiplerinde, cep telefonu işlemcilerinde ve diğer cihazlarda ısı emici veya kaplama olarak kullanabilirsiniz. Isıyı hızlı bir şekilde dağıtabilir ve performansı artırabilir ve kullanım ömrünü uzatabilir.

Enerji alanı

Batter elektrot malzemeleri̇  

Yüksek teorik özgül kapasiteye ve kararlı çevrim performansına sahiptir, lityum-iyon, sodyum-iyon pillerde vb. kullanım için incelenmiştir. Bu elektrotlar ile karbon malzemeler kompozitler bataryanın hızını ve çevrim ömrünü artırabilir.

Hydrojen depolama malzemesi̇  

Özel yapısı ve elektronik özellikleri nedeniyle hidrojeni adsorbe edebilir ve depolayabilir. Modifikasyon işleminden sonra, hidrojen depolama kapasitesi ve kararlılığı geliştirilebilir.

Havacılık ve uzay alanı

Ttermal koruma malzemeleri̇  

Yüksek erime noktasına, iyi termal stabiliteye ve düşük termal iletkenliğe sahiptir. Bir uçak yüksek hızda uçarken, bor nitrür bazlı termal koruma malzemeleri ısının içeri girmesini önleyebilir ve iç yapıyı ve ekipmanı koruyabilir.

Aircraft parçaları  

Düşük yoğunluğa ve yüksek mukavemete sahiptir. Temel kompozit malzemeleri uçak kanatları, gövde yapısal bileşenleri vb. üretmek için kullanılır. Ağırlığı azaltabilir ve yapısal gücü ve güvenilirliği artırabilir.

Makine alanı

Hyüksek sıcaklık yağlayıcısı  

Altıgen bor nitrürün katmanlı yapısı, iyi bir kayganlığa ve yüksek sıcaklık kararlılığına sahip olmasını sağlar. Böylece sürtünmeyi azaltmak, aşınmayı azaltmak ve verimliliği artırmak için yüksek sıcaklıktaki üretim süreçlerinde yağlayıcı olarak kullanabilirsiniz.

Wkulağa dayanıklı malzeme

Kübik bor nitrür yüksek sertliğe sahiptir. Ondan yapılan takımlar ve taşlama takımları, kesme ve taşlama sırasında mükemmel aşınma direncine ve kesme performansına sahiptir. Ayrıca işleme hassasiyetini artırabilir ve takım ömrünü uzatabilir.

Sonuç

İnorganik grafit (bor nitrür) benzersiz bir yapıya, mükemmel performansa ve çeşitli hazırlama yöntemlerine sahiptir. Buna rağmen maliyet ve seri üretim gibi zorluklarla karşı karşıyadır. Araştırma ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte daha fazla alanda atılım yapması beklenmektedir.