Nitruro di boro | |
__ B __ N Struttura cristallina del nitruro di boro cubico |
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Identificazione | |
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N o CAS | |
N o ECHA | 100.030.111 |
N o CE | 233-136-6 |
PubChem | 66227 |
SORRISI |
B # N , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / BN / c1-2 Std. InChIKey: PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N |
Aspetto | solido bianco cristallizzato |
Proprietà chimiche | |
Formula bruta |
B N [Isomeri] |
Massa molare | 24,818 ± 0,007 g / mol B 43,56%, N 56,44%, |
Proprietà fisiche | |
T ° fusione | 2967 ° C |
Massa volumica |
2,25 g cm −3 ( esagonale BN ) 3,45 g cm −3 ( cubo BN ) |
Proprietà elettroniche | |
Mobilità elettronica | 200 cm 2 V −1 s −1) (BN cubo ) |
Proprietà ottiche | |
Indice di rifrazione | 1,8 (BN esagonale ) 2,1 (BN cubo ) |
Precauzioni | |
SGH | |
avvertimento H319, H335, P261, P280, P304 + P340, P305 + P351 + P338, P405, P501, H319 : Provoca grave irritazione oculare H335 : Può irritare le vie respiratorie P261 : Evitare di respirare la polvere / i fumi / i gas / la nebbia / i vapori / gli aerosol. P280 : Indossare guanti / indumenti protettivi / Proteggere gli occhi / il viso. P304 + P340 : Dopo inalazione: trasportare l' infortunato all'aria aperta e mantenerlo a riposo in posizione che favorisca la respirazione. P305 + P351 + P338 : In caso di contatto con gli occhi: sciacquare accuratamente per parecchi minuti. Rimuovere le lenti a contatto se la vittima le indossa e possono essere rimosse facilmente. Continua a risciacquare. P405 : Negozio bloccato. P501 : Smaltire il contenuto / contenitore in ... |
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WHMIS | |
D2B, |
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NFPA 704 | |
0 1 1 | |
Unità di SI e STP se non diversamente specificato. | |
Il nitruro di boro è un composto chimico di formula BN. È una ceramica refrattaria ultra dura e semiconduttrice . È isoelettronico con carbonio e, come quest'ultimo, esiste in diversi polimorfi , il più comune è esagonale nitruro di boro , osservato h-BN, analoga alla grafite , e cubico nitruro di boro , osservato c-BN, analogo al diamante . Il primo è usato come lubrificante così come in alcuni prodotti cosmetici, mentre il secondo, che ha una struttura cristallina simile alla sfalerite , è un po ' più morbido del diamante - c-BN ha una durezza Knoop di circa 48 GPa , contro 70 a 100 GPa diamante - ma con una migliore stabilità chimica e termica - mantiene la sua durezza fino a 1000 ° C quando il diamante lei perde da 700 ° C . C'è anche il nitruro di boro amorfo , denotato a-BN, analogo al carbonio amorfo , e una struttura simile alla wurtzite , denotata w-BN, analoga alla lonsdalite , che potrebbe essere più dura del polimorfo c-BN. Il nitruro di boro esagonale è stabile a temperatura ambiente, mentre il polimorfo cubico è stabile solo sopra i 1200 ° C e w-BN è stabile solo a pressioni superiori a 10 GPa .
A causa della loro stabilità termica e chimica molto elevata, le ceramiche di nitruro di boro sono generalmente utilizzate come componenti in apparecchiature che devono funzionare a temperature elevate. Il nitruro di boro è anche oggetto di ricerca in vista di applicazioni nel campo delle nanotecnologie . È così possibile produrre nanotubi di nitruro di boro con una struttura molto simile a quella dei nanotubi di carbonio ma con proprietà molto diverse. Inoltre, il nitruro di boro esagonale e cubico mostra proprietà di assorbimento delle onde radar .
Il nitruro di boro amorfo , indicato con a-BN, è l' amorfo polimorfico analogo al carbonio amorfo . Come quest'ultimo, può esibire localmente una regolarità relativa dei suoi atomi, ma è privo di ordine su larga scala, a differenza di tutte le altre forme di nitruro di boro, che sono cristallizzate .
Il nitruro di boro è prodotto sinteticamente a livello industriale e si ottiene sempre principalmente in forma amorfa. Si può così reagire il sesquiossido di boro B 2 O 3o acido borico H 3 BO 3con ammoniaca NH 3o urea CO (NH 2 ) 2o anche esaboruro di calcio B 6 Cain un'atmosfera di azoto N 2 :
B 2 O 3+ 2 NH 3⟶ 2 BN + 3 H 2 Oa 900 ° C ; B (OH) 3+ NH 3⟶ BN + 3 H 2 Oa 900 ° C ; B 2 O 3+ CO (NH 2 ) 2⟶ 2 BN + CO 2+ 2 H 2 Oa oltre 1000 ° C ; B 2 O 3+ 3 CaB 6+ 10 N 2⟶ 20 BN 3 + CaO più di 1500 ° C .La sostanza risultante contiene circa il 92-95% di nitruro di boro amorfo e il 5-8% di sesquiossido di boro. B 2 O 3il residuo può essere successivamente evaporato ad una temperatura superiore a 1.500 ° C in modo da ottenere concentrazioni di azoto di boro superiori al 99%, che ha anche l'effetto di indurre una ricottura formando cristalliti la cui dimensione aumenta con l'aumentare della frequenza.
Gli strati attivi di nitruro di boro amorfo sono utilizzati in alcuni componenti elettronici con semiconduttori come MOSFET . Possono essere ottenuti mediante decomposizione chimica della tricloroborazina con cesio o mediante metodi di deposizione chimica in fase di vapore ( CVD ). La tecnologia Thermal CVD può essere utilizzata anche per depositare strati di nitruro di boro esagonale o, a temperatura elevata, nitruro di boro cubico.
Il nitruro di boro esagonale , indicato con h-BN o α-BN, è la forma termodinamicamente stabile a temperatura ambiente. Simile alla grafite , ha una struttura cristallina esagonale ( gruppo puntuale D 6h , gruppo spaziale P6 3 / mmc) in lastre. In ogni foglio, gli atomi di boro e azoto sono collegati da legami covalenti forti, mentre i fogli sono uniti insieme dalle forze delle forze di van der Waals , che sono legami deboli, in modo che gli atomi di boro di un foglio si trovino tra gli atomi di azoto dei due fogli adiacenti. Questa struttura differisce leggermente da quella della grafite, ma rimane abbastanza vicina agli ibridi BC 6 N avrebbe potuto essere prodotto.
Il nitruro di boro esagonale è ottenuto dal nitruro di boro amorfo mediante ricottura indotta per riscaldamento che cristallizza gradualmente il materiale. Le parti esagonali in nitruro di boro sono prodotte mediante stampaggio a caldo seguito da lavorazione meccanica . Le polveri di nitruro di boro con ossido di boro vengono utilizzate per una migliore compressibilità . È anche possibile ottenere film sottili di nitruro di boro mediante deposizione chimica in fase di vapore ( CVD ) dal tricloruro di boro BCl 3e azoto N 2. La combustione di polveri di boro in plasma di azoto a 5500 ° C produce una polvere di nitruro di boro ultrafine utilizzata nei lubrificanti e nei toner .
È un buon lubrificante fino a temperature fino a 900 ° C , anche in ambiente ossidante . È particolarmente utile nei casi in cui la conducibilità elettrica o reattività chimica della grafite la rende inadatta all'uso come lubrificante alternativo. Poiché inoltre il nitruro di boro non richiede la presenza di molecole di acqua o gas tra le lastre per svolgere la sua funzione lubrificante, può essere utilizzato sotto vuoto , e in particolare per applicazioni spaziali . Le proprietà lubrificanti del nitruro di boro esagonale in polvere fine sono utilizzate in cosmetici , vernici , cementi dentali e mine .
Le ceramiche di nitruro di boro sono generalmente utilizzate come componenti in apparecchiature destinate a funzionare a temperature elevate. Lo stesso nitruro di boro può essere incorporato nella ceramica , ma anche leghe , resine , plastica , elastomeri e vari altri materiali, che conferiscono loro proprietà lubrificanti. Tali materiali sono utilizzati nella costruzione meccanica, ad esempio per realizzare cuscinetti e nella produzione di acciai . Le plastiche caricate con nitruro di boro mostrano una minore espansione termica , nonché una maggiore conduttività termica e una maggiore resistività . Grazie alle sue ottime proprietà dielettriche e termiche, il nitruro di boro viene utilizzato nell'elettronica come substrato per depositare sottili pellicole semiconduttrici o come finestra trasparente alle microonde . Può anche essere utilizzato come dielettrico per RRAM .
Il nitruro di boro esagonale viene utilizzato nella xerografia e nelle stampanti laser come barriera anti-perdite. Nell'industria automobilistica , il nitruro di boro esagonale viene utilizzato con un legante, il sesquiossido di boro B 2 O 3, per sigillare le sonde lambda , che consentono di regolare la portata di alimentazione del carburante . Le parti in nitruro di boro esagonale solido possono essere prodotte mediante stampaggio a caldo da quattro gradi commerciali di h-BN. La qualità HBN contiene un legante di ossido di boro; può essere utilizzato fino a 550 a 850 ° C sotto ossidante atmosfera e fino a 1600 ° C in vuoto , ma è sensibile all'acqua causa di ossido di boro. Qualità HBR utilizza un legante borato di calcio e può essere usato fino a 1600 ° C . Le qualità HBC e HBT contengono legante e possono essere utilizzati da vicino a 3000 ° C .
Il nitruro di boro esagonale è stato utilizzato per la prima volta nei cosmetici intorno al 1940 in Giappone, ma il suo prezzo elevato lo ha spinto fuori da questo mercato fino agli anni '90 in seguito all'ottimizzazione dei suoi processi di produzione e, da allora, praticamente tutti i prodotti cosmetici di fascia alta lo contengono, indipendentemente dal fatto che è fondotinta , trucco , fodera , rossetto , fard o altri prodotti da applicare sulla pelle.
I nanofogli esagonali di nitruro di boro possono essere depositati mediante decomposizione catalitica della borazina B 3 N 3 H 6a circa 1.100 ° C su superfici fino a 10 cm 2 . Poiché sono molto uniformi con una struttura simile al grafene con una mancata corrispondenza della maglia di circa il 2% da questo materiale, possono essere utilizzati come substrato per componenti a base di grafene. I nanofogli di nitruro di boro sono ottimi conduttori di protoni (in) allo stesso tempo sono ottimi isolanti elettrici , consentendo di considerare possibili applicazioni nelle celle a combustibile e nell'elettrolisi dell'acqua .
Il nitruro di boro esagonale viene utilizzato dalla metà degli anni 2000 come lubrificante per proiettili di fucili di precisione in alternativa al bisolfuro di molibdeno , rispetto al quale presenterebbe alcuni vantaggi.
Il nitruro di boro cubico , indicato con c-BN o β-BN, è una forma metastabile la cui velocità di conversione in nitruro di boro esagonale a temperatura ambiente è trascurabile. Analogo al diamante - metastabile anche alla grafite - ha una struttura cristallina cubica del tipo sfalerite .
La sintesi del nitruro di boro cubico segue lo stesso metodo di quella del diamante dalla grafite . Il nitruro di boro esagonale viene lavorato ad alta pressione e temperatura per indurre una transizione di fase . Questo è stato osservato per il nitruro di boro a pressioni da 5 a 18 GPa e temperature da 1730 a 3230 ° C , cioè valori simili a quelli della transizione tra grafite e diamante. Aggiunta di una piccola quantità di boro sesquiossido B 2 O 3può ridurre la pressione e la temperatura richiesta per la reazione a circa 4 a 7 GPa e 1500 ° C . Per quanto riguarda il diamante, è necessario aggiungere un catalizzatore per ridurre ulteriormente la pressione e la temperatura di reazione, ad esempio il litio , il potassio o il magnesio , i loro nitruri , le loro fluoronitrure, di acqua con sali di ammonio NH 4 +, o idrazina N 2 H 4. Altri metodi industriali, anch'essi presi in prestito dalle tecniche di produzione del diamante sintetico, utilizzano la crescita di cristalli in un gradiente di temperatura o addirittura utilizzano onde d'urto esplosive . Il metodo dell'onda d'urto viene utilizzato per produrre un materiale chiamato eterodiamante, che è un composto ultra duro di boro , carbonio e ossigeno .
È possibile depositare strati sottili di nitruro di boro cubico ma la difficoltà principale è evitare la crescita di fasi esagonali, che si ottiene aggiungendo trifluoruro di boro BF 3. È anche possibile utilizzare tecniche di deposizione fascio ionico (en) ( IBD ), deposizione chimica da vapore, plasma potenziato ( PECVD ), deposizione laser pulsata ( PLD ), deposizione sputter (en) ( deposizione sputter ) e altra deposizione fisica da vapore ( Metodi PVD ).
Il nitruro di boro cubico è ampiamente usato come abrasivo . Il suo interesse sta nel fatto che, a differenza del diamante , non è solubile in ferro , nichel e loro leghe ad alta temperatura (il diamante dà carburi metallici in queste condizioni). Gli abrasivi c-BN policristallini sono quindi utilizzati per lavorare l' acciaio mentre gli abrasivi diamantati sono piuttosto utilizzati per le leghe di alluminio , la ceramica e i blocchi di pietra. Quando a contatto con l' ossigeno in aria , nitruro di boro forma un passivazione strato di boro sesquioxide B 2 O 3.. Il nitruro di boro si lega facilmente ai metalli a causa della formazione di strati intermedi di boruri o nitruri di metalli. I materiali contenenti cristalli di nitruro di boro cubico sono spesso usati nei pezzi degli utensili da taglio. Per le applicazioni di molatura , possono essere utilizzati leganti più morbidi, come resine, ceramiche porose o metalli teneri, o anche leganti ceramici. I nomi commerciali sono ad esempio Borazon (en) (di Diamond Innovations), Elbor o Cubonite (quest'ultimo da fornitori russi).
A differenza del diamante, è possibile produrre grandi parti di nitruro di boro cubico mediante un semplice processo di sinterizzazione da polveri di nitruro di boro cubico in una corrente di azoto ad una temperatura leggermente inferiore alla temperatura di decomposizione del nitruro di boro cubico. La capacità di fondere polveri di nitruro di boro cubiche ed esagonali consente di produrre grandi strutture di nitruro di boro a basso costo.
La combinazione di elevata conducibilità termica e resistività elettrica rende il nitruro di boro cubico, come il diamante, ideale per distributori di calore o dissipatori di calore.
Composto da atomi leggeri, resistente sia chimicamente che meccanicamente, il nitruro di boro cubico è un materiale ampiamente utilizzato per la realizzazione di membrane radiografiche: la sua bassa densità fa sì che questo materiale assorba solo una piccola parte dei raggi X , e le sue buone proprietà meccaniche ne consentono producono membrane molto sottili che riducono ulteriormente l'assorbimento.
Il nitruro di boro wurtzite , indicato con w-BN o γ-BN, è un metastabile polimorfico di tipo wurtzite a struttura cristallina ( gruppo puntuale C 6v , gruppo spaziale P6 3 mc), simile alla lonsdaleite , un raro polimorfo del carbonio. Come nel caso del nitruro di boro cubico, il carbonio del boro e l' azoto di w-BN formano tetraedri , ma la cui disposizione tra loro forma angoli diversi da quelli osservati in c-BN. Allo stesso modo, questi atomi formano anelli a sei vertici, che sono tutti in una configurazione a sedia in c-BN, mentre gli anelli tra i fogli sono in configurazione a barca in w-BN.
La forma wurtzite è probabilmente molto forte, la lonsdaleite è forse il 58% più forte del diamante, mentre si dice che w-BN sia il 18% più forte del diamante, ma questo non potrebbe mai essere verificato sperimentalmente a causa della piccola quantità di lonsaleite e w-BN disponibili .
Il nitruro di boro wurtzite può essere ottenuto dal nitruro di boro esagonale mediante pressione statica a caldo o shock dinamico. I limiti della sua stabilità non sono ben definiti. La compressione del nitruro di boro esagonale può fornire nitruro di boro cubico o wurtzite ma forma wurtzite è formata ad una temperatura molto più bassa, circa 1700 ° C .
La struttura parzialmente ionica dei fogli di nitruro di boro esagonali riduce la covalenza e la conduttività elettrica del materiale ma aumenta le interazioni tra i fogli, rendendo h-BN più duro della grafite . La debole delocalizzazione degli elettroni in questo materiale è anche responsabile della sua assenza di colorazione - h-BN è bianco - e della sua ampia larghezza di banda proibita . La grande differenza di resistenza tra i legami covalenti all'interno dei fogli esagonali e i legami deboli tra i fogli è responsabile dell'anisotropia tra il piano dei fogli e la direzione ortogonale ad esso . Pertanto, la durezza , la conduttività elettrica e la conduttività termica di h-BN sono molto più elevate in questo piano che perpendicolare ad esso; al contrario , queste proprietà sono molto più isotropiche e omogenee in c-BN e w-BN.
Il nitruro di boro cubico e la wurtzite sono materiali molto duri, la durezza del solido c-BN è leggermente inferiore a quella del diamante mentre quella di w-BN sarebbe leggermente superiore. Il c-BN policristallino con grani dell'ordine di 10 nm è stato misurato con una durezza Vickers paragonabile o addirittura superiore a quella del diamante. Il c-BN supera il diamante in applicazioni meccaniche, come la lavorazione di acciaio , a causa della sua maggiore stabilità termica e una migliore resistenza alla sua metallo di transizione . La conducibilità termica del nitruro di boro è tra le più elevate di tutti gli isolanti elettrici .
Il nitruro di boro può essere drogato con berillio (drogaggio p ) o con boro , zolfo , silicio (drogaggio n ) o anche co-drogato con carbonio e azoto . Entrambi i polimorfi esagonali e cubiche sono a banda larga gap semiconduttori , corrispondenti alla ultravioletta regione di spettro elettromagnetico . Uno strato attivo h-BN o c-BN sottoposto a una tensione elettrica emette luce ultravioletta nell'intervallo da 215 a 250 nm , quindi questi materiali possono essere utilizzati per realizzare diodi emettitori di luce e laser .
Poco si sa sul metodo di fusione del nitruro di boro. Si sublima a 2.973 ° C a pressione atmosferica liberando azoto e boro , ma si scioglie ad alta pressione.
Proprietà | a-BN | h-BN | c-BN | w-BN | Grafite | Diamante |
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Densità / gcm –3 | 2.28 | ~ 2.1 | 3.45 | 3.49 | ~ 2.1 | 3.515 |
Durezza Knoop / GPa | 10 | 45 | 34 | 100 | ||
Modulo di elasticità isostatico / GPa | 100 | 36.5 | 400 | 400 | 34 | 440 |
Conduttività termica / W m –1 K –1 | 3 | 600 ∥; 30 ⟂ | 740 | 200–2.000 ∥; 2–800 ⟂ | 600-2.000 | |
Dilatazione termica / 10 –6 · K –1 | −2,7 ∥; 38 ⟂ | 1.2 | 2.7 | −1,5 ∥; 25 ⟂ | 0,8 | |
Ampio intervallo di banda / eV | 5.05 | 5.2 | 6.4 | 4.5–5.5 | 0 | 5.5 |
Indice di rifrazione | 1.7 | 1.8 | 2.1 | 2.05 | 2.4 | |
Suscettibilità magnetica | −0,48 ∥; −17,3 ⟂ | −0,2… −2,7 ∥; −20 ... −28 ⟂ | −1.6 |
Il nitruro di boro esagonale e cubico, così come probabilmente la forma wurtzite, mostrano una notevole stabilità chimica e termica. Pertanto, il nitruro di boro esagonale è stabile contro la decomposizione a temperature fino a 1000 ° C all'aria aperta, 1400 ° C sotto vuoto e 2800 ° C in atmosfera inerte. La reattività chimica dei polimorfi esagonali e cubici sono relativamente simili ei dati corrispondenti a c-BN sono riassunti nella tabella seguente:
Sostanza | Ambiente | Comportamento | Soglia |
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Mo | Vuoto 10 mPa | Reazione | > 1360 ° C |
O | Vuoto 10 mPa | Ormeggio | > 1360 ° C |
Fe , Ni , Co | Argon | Reazione | Da 1.400 a 1.500 ° C |
Al | Vuoto 10 mPa | Bagnatura e reazione | > 1050 ° C |
sì | Vuoto 1 mPa | Ormeggio | > 1.500 ° C |
Cu , Ag , Au , Ga , In , Ge , Sn | Vuoto 1 mPa | Nessuna bagnatura | > 1.100 ° C |
B | Nessuna bagnatura | > 2200 ° C | |
Al 2 O 3+ B 2 O 3 | Vuoto 10 mPa | Nessuna bagnatura | > 1360 ° C |
In particolare si osserva che, nell'aria o nell'ossigeno , il nitruro di boro cubico è ricoperto da uno strato di passivazione in sesquiossido di boro B 2 O 3che blocca l' ossidazione fino a circa 1300 ° C . Non c'erano conversione polimorfo esagonale a 1400 ° C . Sotto atmosfera di azoto , qualche conversione a nitruro di boro esagonale è stata osservata dopo 12 ore a 1525 ° C . Sotto vuoto (10 -5 Pa ), la conversione è osservata in nitruro di boro esagonale da 1550 a 1600 ° C .
Il nitruro di boro è insolubile negli acidi comuni, ma è solubile in sali alcalini fusi come idrossido di litio LiOH, idrossido di potassio KOH, idrossido di sodio - carbonato di sodio NaOH-Na 2 CO 3, nitrato di sodio NaNO 3, nitruro di litio Li 3 N, nitruro di magnesio Mg 3 N 2, nitruro di stronzio Sr 3 N 2, nitruro di bario Ba 3 N 2o nitruro di bario di litio Li 3 BN 2.
Il nitruro di boro reagisce con il monofluoruro di iodio IF nel triclorofluorometano CCl 3 Fa −30 ° C per produrre, a bassa resa, triioduro di azoto NI 3, un esplosivo da contatto molto potente. Il nitruro di boro reagisce anche con i nitruri dei metalli alcalini e dei lantanidi per formare nitruroborati come di seguito con il litio :
Li 3 N+ BN → Li 3 BN 2.La conducibilità termica teorica dei nanoribbons di nitruro di boro esagonale ( BNNR ) può avvicinarsi a 1700-2000 W m −1 K −1 , che è dello stesso ordine di grandezza dei valori misurati per il grafene ed è paragonabile ai valori calcolati per nanonastri di grafene.