Le nitrure de bore est un composé chimique de formule BN. C'est une céramique réfractaire ultradure et semiconductrice. Il est isoélectronique avec le carbone et, comme ce dernier, existe sous plusieurs polymorphes, les plus courants étant le nitrure de bore hexagonal, noté h-BN, analogue au graphite, et le nitrure de bore cubique, noté c-BN, analogue au diamant. Le premier est utilisé comme lubrifiant ainsi que dans certains produits cosmétiques, tandis que le second, qui présente une structure cristalline de type sphalérite, est un peu moins dur que le diamant mais avec une meilleure stabilité chimique et thermique . Il existe également du nitrure de bore amorphe, notée a-BN, analogue au carbone amorphe, et une structure plus rare de type wurtzite, notée w-BN, analogue à la lonsdaléite, qui pourrait être plus dure que le polymorphe c-BN. Le nitrure de bore hexagonal est stable à température ambiante, tandis que le polymorphe cubique ne l'est qu'au-dessus de , et que w-BN n'est stable qu'à une pression supérieure à .
En raison de leur très grande stabilité thermique et chimique, les céramiques en nitrure de bore sont généralement utilisées comme composants dans les équipements devant fonctionner à température élevée. Le nitrure de bore fait également l'objet de recherches en vue d'applications dans le domaine des nanotechnologies. Il est ainsi possible de produire des nanotubes en nitrure de bore de structure très semblable à celle des nanotubes en carbone mais avec des propriétés très différentes. Par ailleurs, le nitrure de bore hexagonal et cubique présente des propriétés d'absorption des ondes radar Martin S. Silberberg, Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, , McGraw-Hill, New York, 2009, .
Nitrure de bore amorphe (a-BN)
Le nitrure de bore amorphe, noté a-BN, est le polymorphe amorphe analogue au carbone amorphe. Comme ce dernier, il peut présenter localement une régularité relative de ses atomes, mais est dépourvu d'ordre à grande échelle, contrairement à toutes les autres formes de nitrure de bore, qui sont cristallisées.
Production
Le nitrure de bore est produit industriellement de manière synthétique et est toujours obtenu en premier lieu sous forme amorphe. On peut ainsi faire réagir du sesquioxyde de bore ou de l'acide borique avec de l'ammoniac ou de l'urée voire de l'hexaborure de calcium dans une atmosphère d'azote :
+ 2 ⟶ 2 BN + 3 à ; + ⟶ BN + 3 à ; + ⟶ 2 BN + + 2 à plus de ; + 3 + 10 ⟶ 20 BN + 3 CaO à plus de .
La substance obtenue contient environ 92 à 95 % de nitrure de bore amorphe et de 5 à 8 % de sesquioxyde de bore. Le résiduel peut être évaporé par la suite à une température supérieure à afin d'obtenir des concentrations de nitutre de bore supérieures à 99 %, ce qui a également pour effet d'induire un recuit formant des cristallites dont la taille croît avec la température.
Applications
Des couches actives en nitrure de bore amorphe sont utilisées dans certains composants électroniques à semiconducteurs comme des MOSFET. Elles peuvent être obtenues par décomposition chimique de trichloroborazine avec du césium, ou par des méthodes de dépôt chimique en phase vapeur (). Une technologie de CVD thermique peut également être utilisée pour déposer des couches de nitrure de bore hexagonal ou, à température élevée, de nitrure de bore cubique.
Nitrure de bore hexagonal (h-BN)
Le nitrure de bore hexagonal, noté h-BN, voire α-BN, est la forme thermodynamiquement stable à température ambiante. Analogue au graphite, il présente une structure cristalline hexagonale (groupe ponctuel D, groupe d'espace P6/mmc) en feuillets. Dans chaque feuillet, les atomes de bore et d'azote sont liés par des liaisons covalentes fortes, tandis que les feuillets sont unis entre eux par des forces de van der Waals, qui sont des liaisons faibles, de telle sorte que les atomes de bore d'un feuillet soient situés entre les atomes d'azote des deux feuillets adjacents. Cette structure diffère légèrement de celle du graphite mais demeure suffisamment proche pour que des hybrides aient pu être produits.
Production
On obtient le nitrure de bore hexagonal à partir du nitrure de bore amorphe par chauffage induisant un recuit qui cristallise progressivement le matériau. Les pièces en nitrure de bore hexagonal sont fabriquées par pressage à chaud suivi d'un usinage. On utilise des poudres de nitrure de bore avec de l'oxyde de bore pour une meilleure compressibilité. Il est également possible d'obtenir des couches minces en nitrure de bore par dépôt chimique en phase vapeur () à partir de trichlorure de bore et d'azote . La combustion de poudres de bore dans un plasma d'azote à donne une poudre de nitrure de bore ultrafine utilisée dans les lubrifiants et les toners.
Applications
C'est un bon lubrifiant jusqu'à des températures atteignant , et ce même dans un environnement oxydant. Il est particulièrement utile dans les cas où la conductivité électrique ou la réactivité chimique du graphite rend ce dernier impropre à l'utilisation comme lubrifiant alternatif. Comme le nitrure de bore ne requiert pas non plus que des molécules d'eau ou de gaz soient présentes entre les feuillets pour assurer sa fonction de lubrifiant, il peut être utilisé dans le vide, et notamment pour des applications spatiales. Les propriétés lubrifiantes du nitrure de bore hexagonal sous forme de poudre fine sont utilisées dans des cosmétiques, des peintures, des ciments dentaires et des mines de crayon.
Les céramiques en nitrure de bore sont généralement utilisées comme composants dans les équipements destinés à fonctionner à température élevée. Le nitrure de bore lui-même peut être incorporé dans des céramiques, mais aussi des alliages, des résines, des plastiques, des élastomères et divers autres matériaux, ce qui leur confère des propriétés lubrifiantes. De tels matériaux sont utilisés en construction mécanique par exemple pour réaliser des paliers et dans la fabrication des aciers. Les matières plastiques chargées en nitrure de bore présentent une dilatation thermique plus faible ainsi qu'une plus grande conductivité thermique et une plus grande résistivité. En raison de ses très bonnes propriétés diélectriques et thermiques, le nitrure de bore est utilisé en électronique comme substrat pour déposer des couches minces semiconductrices ou comme fenêtre transparente aux micro-ondes. Il peut également être utilisé comme diélectrique pour RRAM.
Le nitrure de bore hexagonal est utilisé en xérographie et dans les imprimantes laser comme barrière anti-fuite. Dans l'industrie automobile, le nitrure de bore hexagonal est utilisé avec un liant, le sesquioxyde de bore , pour sceller les sondes lambda, qui permettent d'ajuster le débit d'alimentation en carburant. Des pièces en nitrure de bore hexagonal massif peuvent être réalisées par pressage à chaud à partir de quatre qualités commerciales de h-BN. La qualité HBN contient un liant d'oxyde de bore ; il peut être utilisé jusqu'à sous atmosphère oxydante et jusqu'à dans le vide, mais est sensible à l'eau en raison de l'oxyde de bore. La qualité HBR utilise un liant borate de calcium et peut être utilisé jusqu'à . Les qualités HBC et HBT ne contiennent pas de liant et peuvent être utilisées jusqu'à près de Charles A. Harper, Handbook of Ceramics, Glasses and Diamonds, McGraw-Hill, 2001 .
Le nitrure de bore hexagonal a été utilisé dans les cosmétiques pour la première fois vers 1940 au Japon, mais son prix élevé l'a écarté de ce marché jusque dans les années 1990 à la suite de l'optimisation de ses procédés de production, et, depuis, pratiquement tous les produits cosmétiques haut de gamme en contiennent, qu'il s'agisse de fond de teint, de produit de maquillage, de ligneur, de rouge à lèvres, de fard ou d'autres produits à appliquer sur la peau.
Des nanofeuillets de nitrure de bore hexagonal peuvent être déposés par décomposition catalytique de borazine à environ sur des surfaces pouvant atteindre . Comme ils sont très uniformes avec une structure semblable au graphène avec un désaccord de maille d'environ 2 % par rapport à ce matériau, ils peuvent être utilisés comme substrat pour composants à base de graphène. Les nanofeuillets de nitrure de bore sont également de très bons , en même temps qu'ils sont de très bons isolants électriques, ce qui permet d'envisager de possibles applications dans les piles à combustibles et l'électrolyse de l'eau.
Le nitrure de bore hexagonal est utilisé depuis le milieu des années 2000 comme lubrifiant pour balles de fusils de précision comme alternative au disulfure de molybdène, par rapport auquel il présenterait certains avantages.
Nitrure de bore cubique (c-BN)
Le nitrure de bore cubique, noté c-BN, voire β-BN, est une forme métastable dont la vitesse conversion en nitrure de bore hexagonal à température ambiante est négligeable. Analogue au diamant il présente une structure cristalline cubique de type sphalérite.
Production
La synthèse du nitrure de bore cubique suit la même méthode que celle du diamant à partir du graphite. Du nitrure de bore hexagonal est traité à pression et température élevées afin d'induire une transition de phase. Celle-ci a été observée pour le nitrure de bore à des pressions de et des températures de , c'est-à-dire des valeurs semblables à celles de la transition entre le graphite et le diamant. L'addition d'une petite quantité de sesquioxyde de bore peut réduire la pression et la température requises pour la réaction jusqu'à environ et . Comme pour le diamant, il est nécessaire d'ajouter un catalyseur pour réduire davantage la pression et la température de la réaction, par exemple du lithium, du potassium ou du magnésium, leur nitrures, leur fluoronitrures, de l'eau avec des sels d'ammonium , ou de l'hydrazine . D'autres méthodes industrielles, également empruntées aux techniques de production de diamants synthétiques, utilisent la croissance de cristaux dans un gradient de température, ou encore font appel à des ondes de choc explosives. La méthode par onde de choc est utilisée pour produire un matériau appelé hétérodiamant, composé ultradur de bore, de carbone et d'oxygène.
Il est possible de déposer des couches minces de nitrure de bore cubique mais la principale difficulté consiste à éviter la croissance de phases hexagonales, ce qu'on réalise en ajoutant du trifluorure de bore . Il est également possible d'utiliser des techniques de (), dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (), dépôt laser pulsé (), (), et d'autres méthodes de dépôt physique en phase vapeur ().
Applications
Le nitrure de bore cubique est largement utilisé comme abrasif R. H. Todd, D. K. Allen, K. Dell et L. Alting, Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc. 1994, . Son intérêt réside dans le fait que, contrairement au diamant, il n'est pas soluble dans le fer, le nickel et leurs alliages à haute température (le diamant donne des carbures métalliques dans ces conditions). Les abrasifs en c-BN polycristallin sont par conséquent utilisés pour usiner l'acier tandis que les abrasifs en diamant sont plutôt utilisés pour les alliages d'aluminium, les céramiques et les blocs de pierre. Lorsqu'il est en contact avec l'oxygène de l'air, le nitrure de bore forme une couche de passivation en sesquioxyde de bore . Le nitrure de bore se lie facilement aux métaux en raison de la formation de couches intermédiaires de borures ou de nitrures de métaux. Les matériaux contenant des cristaux de nitrure de bore cubique sont souvent utilisés dans les embouts des outils de coupe. Pour les applications de meulage, on peut utiliser des liants plus doux, comme des résines, des céramiques poreuses ou des métaux mous, voire des liants en céramique. Les dénominations commerciales sont par exemple (par Diamond Innovations), Elbor ou Cubonite (ces derniers par des fournisseurs russes).