Неорганічний графіт - вичерпний посібник

Розвиток матеріалознавства сприяє суспільному прогресу, і постійно з'являються нові види матеріалів. Неорганічний графіт нітрид бору, завдяки своїй схожості з графітом та унікальному хімічному складу, має чудові експлуатаційні характеристики та великий потенціал для застосування. І він став гарячою точкою досліджень в матеріалознавстві.

Назва неорганічного графіту

Чому нітрид бору називають неорганічним графітом?

Нітрид бору називають неорганічним графітом, оскільки він має схожий з графітом зовнішній вигляд - шаруватий і слизький на дотик. Гексагональна кристалічна структура нітриду бору також схожа на графіт, і він має хорошу термостійкість. Однак графіт складається з вуглецевих елементів, тоді як нітрид бору - це азотно-борна сполука.

Структура неорганічного графіту

Формула неорганічного графіту

Неорганічний графіт - також відомий як нітрид борухімічна формула якого має вигляд BN. У нітриді бору бор (B) і азот (N) хімічно пов'язані між собою ковалентними зв'язками у стехіометричному співвідношенні 1:1. Зовнішня електронна конфігурація атомів бору - 2s²2p¹, а атомів азоту - 2s²2p³. Під час утворення нітриду бору атоми бору надають 3 валентні електрони, а атоми азоту також надають 3 електрони для участі у зв'язку. Взаємодія цих електронів утворює стійкі ковалентні зв'язки, які є основною структурною одиницею нітриду бору.

Детальний аналіз кристалічної структури

Нітрид бору в основному існує в трьох кристалічних структурах: гексагональний нітрид бору (h-BN), кубічний нітрид бору (c-BN) і ромбоедричний нітрид бору (r-BN). H-BN має шарувату структуру, подібну до графіту, де кожен шар утворений чергуванням атомів бору та азоту в гексагональній площинній мережі. Шари взаємодіють один з одним за допомогою відносно слабких сил Ван-дер-Ваальса. І ця шарувата структура наділяє гексагональний нітрид бору хорошими змащувальними властивостями і певною здатністю до відшаровування. Кристалічна структура c-BN схожа на структуру алмазу, в якій атоми бору та азоту з'єднані в тетраедричній формі, утворюючи тривимірну щільно упаковану структуру. Ця структура наділяє його надзвичайно високою твердістю, яка поступається лише алмазу. Структура r-BN знаходиться між гексагональним і кубічним нітридом бору. І його кристалічна структура є відносно складнішою, з відносно меншою кількістю досліджень і застосувань.

Розташування атомів

Гексагональний нітрид бору шаруватий, а атоми бору та азоту в одному шарі з'єднані ковалентними зв'язками. Кожен атом бору оточений трьома атомами азоту, утворюючи зв'язки B-N з довжиною зв'язку 0,145 нм. Ці зв'язки утворюють гексагональну мережу, яка нескінченно простягається в площині. Атоми в кожному шарі розташовані близько і впорядковано, а шари утримуються разом силами Ван-дер-Ваальса. Міжшарова відстань становить приблизно 0,333 нм. У кубічному нітриді бору атоми бору та азоту утворюють тетраедричні структури за допомогою ковалентних зв'язків. Кожен з них з'єднується з чотирма протилежними атомами, що робить його твердим і стабільним.

Гібридизація неорганічного графіту

У нітриді бору атоми бору та азоту в гексагональному та кубічному нітриді бору переважно sp²-гібридизовані. (Кубічний нітрид бору має невелику кількість sp³-гібридизації). На прикладі гексагонального нітриду бору sp²-гібридизовані орбіталі атомів бору та нітрогену перекриваються, утворюючи σ-зв'язки, утворюючи гексагональну площину. Решта негібридизованих p-орбіталей перпендикулярні до площини і перекриваються плечем до плеча, утворюючи делокалізовані π-зв'язки, подібно до гібридизації графіту. Це є ключем до подібних електричних і теплових властивостей.

Порівняння зі схожістю та відмінностями структури графіту

Подібність між гексагональним нітридом бору та графітом полягає в тому, що вони обидва мають шарувату структуру з ковалентними зв'язками всередині шарів та силами Ван-дер-Ваальса між шарами. Атоми утворюють делокалізованіπ-зв'язки через sp²-гібридизацію і мають певну електропровідність та теплопровідність. Відмінності полягають у тому, що міжшарові сили в графіті слабші, що полегшує ковзання і змащування. Графіт складається з атоми вуглецютоді як нітрид бору складається з атомів бору та азоту. Електронегативність атомів різна, тому їхні хімічні та деякі фізичні властивості також відрізняються.

Властивості неорганічного графіту

Фізичні властивості

Неорганічний графіт (на прикладі гексагонального нітриду бору) має хорошу змащувальну здатність завдяки слабкій міжшаровій взаємодії в його шаруватій структурі. Його щільність становить приблизно 2,27 г/см³, і він має переваги в аерокосмічній та інших галузях, де вага є критичним фактором. Кубічний нітрид бору має надзвичайно високу твердість, з твердістю по Моосу 9,5 - 10. Його часто використовують для виготовлення зносостійких матеріалів, таких як ріжучі інструменти.

Хімічні властивості

Нітрид бору має хорошу хімічну стабільність, тому він не вступає в реакцію з водою або звичайними кислотами та лугами при кімнатній температурі. Він відносно стабільний при високих температурах і сильних кислотах і лугах. Він піддається повільному окисленню лише в присутності високих температур, сильних окислювачів тощо. Це дозволяє широко використовувати його в промисловому виробництві з жорсткими хімічними середовищами.

Термічні властивості

Неорганічний графіт має чудові теплові властивості. Теплопровідність гексагонального нітриду бору становить до 300 - 400 Вт/(м-К), що сприяє розсіюванню тепла в електронних пристроях. Його температура плавлення становить приблизно 3000°C, а структура і властивості залишаються стабільними при високих температурах. Це робить його придатним як теплозахисний матеріал в аерокосмічній та інших галузях.

Електричні властивості

Гексагональний нітрид бору - це широкозонний напівпровідниковий матеріал з шириною забороненої зони приблизно 6,4 еВ. Він має унікальну перспективу в галузі напівпровідників. Завдяки делокалізованим великим π-зв'язкам між шарами він має певну провідність, але слабшу, ніж у металів.

Спосіб отримання неорганічного графіту

Метод синтезу при високій температурі та високому тиску

Цей метод працює в умовах високої температури 1000 - 2000 ℃ і високого тиску 5 - 10 ГПа. В якості сировини використовують борний порошок, борат та інші джерела бору, а також аміак, газоподібний азот тощо. Для сприяння реакції атомів бору та азоту з утворенням кристалів нітриду бору. Цим методом отримують кубічний і гексагональний нітрид бору з високою кристалічністю і чистотою, який підходить для виробництва високоякісних ріжучих інструментів. Однак обладнання дороге, енергоспоживання високе, а вихід продукції низький.

Хімічне осадження з газової фази

Для цього використовують боран та інші газоподібні джерела бору, аміак та інші джерела азоту тощо. Для їх транспортування в реакційну камеру під спільною дією високої температури і каталізаторів. Реагує на поверхні підкладки з утворенням плівки нітриду бору. Він може точно контролювати товщину і якість плівки і часто використовується у виробництві напівпровідникових приладів. Наприклад, підготовка ізоляційних шарів польових транзисторів на основі нітриду бору. Однак обладнання складне, вартість висока, а швидкість росту повільна.

Золь-гель метод

Цей метод є м'яким методом підготовки. Спочатку розчиняють боратні ефіри та інші джерела бору, органічні аміни та інші джерела азоту в органічних розчинниках до утворення однорідного розчину. Після гідролізу та конденсації утворюється золь. Потім його витримують, сушать і перетворюють на гель. Нарешті, він проходить високотемпературну термічну обробку для розкладання органічних компонентів і утворення нітриду бору. Цей метод простий в експлуатації, має низьку вартість і легко виробляється у великих масштабах. Він може виробляти високочистий порошок нітриду бору, але його кристалічність низька і потребує оптимізації.

Сфера застосування неорганічного графіту

Електронне поле

Sнапівпровідник  

Це широкозонний напівпровідник. Високотемпературні характеристики польових транзисторів на основі нітриду бору перевершують характеристики традиційних продуктів на основі кремнію. Світлодіоди, виготовлені на основі нітриду бору, можуть випромінювати короткохвильове світло, і ви можете використовувати його для ультрафіолетового зв'язку та дезінфекції.

Hрозсіювання електричного струму електронних пристроїв  

У комп'ютерних чіпах, процесорах мобільних телефонів та інших пристроях його можна використовувати як радіатор або покриття. Він може швидко розсіювати тепло, покращувати продуктивність і подовжувати термін служби.

Енергетичне поле

Bматеріали електродів  

Має високу теоретичну питому ємність і стабільні циклічні характеристики, вивчається для використання в літій-іонних, натрій-іонних акумуляторах тощо. The електроди з вуглецеві матеріали композитні матеріали можуть підвищити швидкість заряджання акумулятора та збільшити термін його служби.

Hматеріал для зберігання йоду  

Завдяки своїй особливій структурі та електронним властивостям, він може адсорбувати та зберігати водень. Після модифікаційної обробки можна покращити ємність та стабільність зберігання водню.

Аерокосмічна галузь

Tтеплоізоляційні матеріали  

Він має високу температуру плавлення, хорошу термостійкість і низьку теплопровідність. Коли літак летить на високій швидкості, теплозахисні матеріали на основі нітриду бору можуть запобігти потраплянню тепла всередину і захистити внутрішню конструкцію та обладнання.

Aчастини літаків  

Має низьку щільність і високу міцність. Композитні матеріали на його основі використовуються для виготовлення крил літаків, структурних елементів фюзеляжу тощо. Це дозволяє зменшити вагу та підвищити міцність і надійність конструкції.

Машинобудування

Hвисокотемпературне мастило  

Шарувата структура гексагонального нітриду бору забезпечує хорошу змащувальну здатність і стійкість до високих температур. Тому ви можете використовувати його як мастило у високотемпературних виробничих процесах, щоб зменшити тертя, знизити знос і підвищити ефективність.

Wвухостійкий матеріал

Кубічний нітрид бору має високу твердість. Інструменти та шліфувальні інструменти, виготовлені з нього, мають відмінну зносостійкість і ріжучу здатність під час різання та шліфування. Це дозволяє підвищити точність обробки і продовжити термін служби інструменту.

Висновок

Неорганічний графіт (нітрид бору) має унікальну структуру, чудові характеристики та різноманітні методи отримання. Хоча він стикається з такими проблемами, як вартість і масове виробництво. З розвитком досліджень і технологій очікується, що він зробить прорив у більшій кількості галузей.