Бор нитрид — топлински и хемиски отпорно огноотпорно соединение на бор и азот со хемиска формула BN. Постои во различни кристални форми кои се изоелектронски на слично структурирана јаглеродна решетка. Шестоаголната форма што одговара на графитот е најстабилна и најмека меѓу BN полиморфите и затоа се користи како лубрикант и додаток на козметичките производи. Кубната (изометриска) структура аналогна на дијамантот се нарекува c-BN; тој е помек од дијамантот, но неговата топлинска и хемиска стабилност е супериорна. Реткиот шестаголен кристален систем е модификација слична на лонсдејлит, но малку помека од кубната форма.
Поради одличната топлинска и хемиска стабилност, керамиката со бор нитрид се користи во опрема за висока температура и лиење метали. Борниот нитрид има потенцијална употреба во нанотехнологијата.
Структура Борниот нитрид постои во повеќе форми кои се разликуваат во распоредот на атомите на бор и азот, што доведува до различни масовни својства на материјалот.
Аморфна форма (a-BN) Аморфната форма на бор нитрид (a-BN) е некристална, и нема каква било регуларност на долги растојанија во распоредот на неговите атоми. Тоа е аналогно на аморфниот јаглерод.
Сите други форми на бор нитрид се кристални.
Шестоаголна форма (h-BN) Најстабилната кристална форма е шестаголната, наречена и h-BN, α-BN, g-BN и графитен бор нитрид. Шестоаголниот бор нитрид (точка група = D 6h ; просторна група = P6 3 /mmc) има слоевита структура слична на графитот. Во секој слој, атомите на бор и азот се врзани со силни ковалентни врски, додека слоевите се држат заедно со слаби вандервалсови сили. Меѓутоа, меѓуслојниот „регистар“ на овие листови се разликува од моделот што се гледа за графитот, бидејќи атомите се затемнети, со атоми на бор кои лежат над атомите на азот. Овој регистар го одразува локалниот поларитет на B-N врските, како и одликите на меѓуслојните N-донатор/B-акцептор. Исто така, постојат многу метастабилни форми кои се состојат од различно наредени политипови. Затоа, h-BN и графитот се многу блиски соседи, а материјалот може да го смести јаглеродот како супституентен елемент за да формира BNCs. BC 6 N хибриди се синтетизирани, каде што јаглеродот заменува некои атоми B и N.
Кубна форма (c-BN) Кубен бор нитрид има кристална структура аналогна на онаа на дијамантот. Во согласност со тоа што дијамантот е помалку стабилен од графитот, кубната форма е помалку стабилна од шестаголната форма, но стапката на конверзија помеѓу двете е занемарлива на собна температура, како што е за дијамантот. Кубната форма има коцкеста кристална структура, иста како онаа на дијамантот (со подредени атоми B и N), а исто така се нарекува β-BN или c-BN.
Вурцитова форма (w-BN) Вурцитовата форма на бор нитрид (w-BN; точка група = C 6v ; просторна група = P6 3 mc) ја има истата структура како лонсдалеит, редок шестаголен полиморф на јаглерод. Како и во кубната форма, атомите на бор и азот се групирани во тетраедри. Во форма на вурцит, атомите на бор и азот се групирани во 6-члени прстени. Во кубната форма, сите прстени се во конфигурација на столот, додека во w-BN прстените помеѓу „слоевите“ се во бродова конфигурација. Претходните оптимистички извештаи предвидувале дека Вурцитовата форма е многу силна и според симулацијата се проценува дека потенцијално има јачина 18% посилна од онаа на дијамантот. Бидејќи во природата постојат само мали количини на минералот, ова сè уште не е експериментално потврдено. Неговата цврстина е 46 GPa, малку потврда од комерцијалните бориди, но помека од кубната форма на бор нитрид.
Својства
Физички +Својства на аморфен и кристален BN, графит и дијамант.Некои својства на h-BN и графитот се разликуваат во базалните рамнини (∥) и нормално на нив (⟂) Материјал Бор нитрид (BN) Графит Дијамант a- ж- c- w- Густина (g/cm 3 ) 2.28 ~ 2.1 3.45 3.49 ~ 2.1 3.515 Кнупова тврдост (GPa) 10 45 34 100 Масовен модул (GPa) 100 36,5 400 400 34 440 Топлинска спроводливост(Ш/м·К) 3 600 ∥,</br> 30 ⟂ 740 200–2000 ∥,</br> 2–800 ⟂ 600–2000 година Топлинско ширење (10 −6 /K) −2,7 ∥, 38 ⟂ 1.2 2.7 −1,5 ∥, 25 ⟂ 0,8 Јазов опсег (eV) 5.05 5,9-6,4 6.4 4,5-5,5 0 5.5 Индекс на рефракција 1.7 1.8 2.1 2.05 2.4 Магнетна подложност (µemu/g) -0,48 ∥,</br> −17,3 ⟂ −0,2 – −2,7 ∥,</br> −20 – −28 ⟂ −1.6 Делумно јонската структура на BN слоевите во h-BN ја намалува ковалентноста и електричната спроводливост, додека меѓуслојната интеракција се зголемува што резултира со поголема цврстина на h-BN во однос на графитот. Намалената електрон-делокализација во шестаголно-BN е индицирана и со неговото отсуство на боја и голем јаз на опсегот. Многу различни врски - силна ковалентна во базалните рамнини (рамнини каде што атомите на бор и азот се ковалентно врзани) и слаба меѓу нив - предизвикува висока анизотропија на повеќето својства на h-BN.
На пример, цврстината, електричната и топлинската спроводливост се многу повисоки во рамнините отколку нормално на нив. Напротив, својствата на c-BN и w-BN се похомогени и изотропни.
Тие материјали се исклучително тврди, при што цврстината на најголемиот дел c-BN е малку помала, а w-BN дури и повисока од онаа на дијамантот. Поликристален c-BN со големини на зрна од редот на 10 nm, исто така, се наведува дека има викерсова цврстина споредлива или повисока од дијамантот. Поради многу подобра стабилност на топлина и преодни метали, c-BN го надминува дијамантот во механички апликации, како што е обработката на челик. Топлинската спроводливост на BN е меѓу највисоките од сите електрични изолатори (види табела).
Борниот нитрид може да се допингува од р-тип со берилиум и n-тип со бор, сулфур, силициум или ако е ко-допиран со јаглерод и азот. И шестаголните и кубните BN се полупроводници со широк јаз со енергија на јазот на појасот што одговара на УВ регионот. Ако напонот се примени на h-BN или c-BN, тогаш емитира УВ светлина во опсегот 215-250 nm и затоа потенцијално може да се користи како диоди што емитуваат светлина (LED) или ласери.
Малку е познато за однесувањето на борниот нитрид при топење. Се сублимира на 2973 °C при нормален притисок ослободувајќи гас од азот и бор, но се топи при покачен притисок.
Топлинска стабилност Шестоаголните и кубните BN (и веројатно w-BN) покажуваат извонредна хемиска и топлинска стабилност. На пример, h-BN е стабилен за распаѓање на температури до 1000 °C во воздух, 1400 °C во вакуум и 2800 °C во инертна атмосфера. Реактивноста на h-BN и c-BN е релативно слична, а податоците за c-BN се сумирани во табелата подолу. +Реактивност на c-BN со цврсти материи Цврсти Амбиентален Акција Прагова температура (°C) Мо 10−2 Pa вакуум Реакција 1360 Ни 10−2 Pa вакуум Мокрење 1360 Fe, Ni, Co Аргон Реагирај 1400–1500 Ал 10−2 Pa вакуум Мокрење и реакција 1050 Си 10−3 Pa вакуум Мокрење 1500 Cu, Ag, Au, Ga, In, Ge, Sn 10−3 Pa вакуум Без мокрење 1100 Б Без мокрење 2200 10−2 Pa вакуум Нема реакција 1360 Топлинската стабилност на c-BN може да се сумира на следниов начин:
Во воздух или кислород:, заштитниот слој спречува понатамошна оксидација до ~ 1300 °C; нема конверзија во шестаголна форма во 1400 година °C. Во азот: одредена конверзија во h-BN на1525 °C по 12 ч. Во вакуум (10-5 Pa): конверзија во h-BN на 1550-1600 °C.
Хемиска стабилност Бор нитрид е нерастворлив во вообичаените киселини, но е растворлив во алкални стопени соли и нитриди, како што се LiOH, KOH, NaOH-, , , {, , или }, кои затоа се користат за гравирање на BN.
Топлинска спроводливост Теоретската топлинска спроводливост на шестаголните наноленти на бор нитрид (BNNRs) може да се приближи до 1700-2000 W /( m⋅K), кој има ист ред на големина како и експериментално измерената вредност за графен, и може да се спореди со теоретските пресметки за графен наноленти. Покрај тоа, топлинскиот транспорт во BNNR е анизотропен. Топлинската спроводливост на BNNR со цик-цак раб е околу 20% поголема од онаа на нанопанделките со рабови на фотелја на собна температура.
Природна појава Во 2009 година, природен минерал на бор нитрид во кубна форма (c-BN) бил пријавен во Тибет и било предложено името кингсонгит. Супстанцијата била пронајдена во дисперзирани подмножества со големина на микрони во карпите богати со хром. Во 2013 година, Меѓународната минералошка асоцијација ги потврдила минералот и неговото име.
Синтеза
Подготовка и реактивност на шестоаголна BN Бор нитрид се произведува синтетички. Шестоаголниот бор нитрид се добива со реактивниот бор триоксид () или борна киселина () со амонијак () или уреа () во азотна атмосфера:
(T = 900 °C) (T = 900 °C) (T > 1000 °C) (T > 1500 °C)
Резултирачкиот нарушен (аморфен) бор нитрид содржи 92-95% BN и 5-8% . Останатите може да се испари во втор чекор на температури со цел да се постигне концентрација на BN >98%. Таквото жарење исто така го кристализира BN, големината на кристалитите се зголемува со температурата на жарење.
h-BN делови може да се изработуваат евтино со топло притискање со последователна обработка. Деловите се направени од прав бор нитрид со додавање на бор оксид за подобра компресибилност. Тенки ленти на бор нитрид може да се добијат со хемиско таложење на пареа од бор трихлорид и прекурсори на азот. Согорување на бор во прав во азотна плазма на 5500 °C дава ултрафин бор нитрид кој се користи за лубриканти и тонери.
Бор нитрид реагира со јод флуорид во трихлорофлуорометан на -30 °C за да се произведе исклучително чувствителен контактен експлозив, , со низок принос. Бор нитрид реагира со нитриди на литиум, метали на алкална земја и лантаниди за да формира нитридоборат соединенија. На пример:
Интеркалација на шестоаголна BN мини|150x150пкс| Структура на шестаголен бор нитрид интеркалиран со калиум ( ) Слично на графитот, различни молекули, како на пр или алкалните метали, може да се интеркалираат во шестаголен бор нитрид, кој се вметнува помеѓу неговите слоеви. И експериментот и теоријата сугерираат дека интеркалирањето е многу потешко за BN отколку за графитот.
Подготовка на кубни BN Синтезата на c-BN ги користи истите методи како онаа на дијамантот: кубен бор нитрид се произведува со третирање на шестаголен бор нитрид при висок притисок и температура, исто како што синтетичкиот дијамант се произведува од графит. Директна конверзија на шестаголен бор нитрид во кубна форма е забележана при притисок помеѓу 5 и 18 GPa и температури помеѓу 1730 и 3230 °C, што е слични параметри како и за директна конверзија графит-дијамант. Додавањето мала количина на бор оксид може да го намали потребниот притисок на 4–7 GPa и температура до 1500 °C. Како и во синтезата на дијаманти, за дополнително намалување на притисоците и температурите на конверзија, се додава катализатор, како што се литиум, калиум или магнезиум, нивните нитриди, нивните флуоронитриди, вода со соединенија на амониум или хидразин. Други методи на индустриска синтеза, повторно позајмени од растот на дијамантите, користат раст на кристали во температурен градиент или експлозивен ударен бран . Методот на ударни бранови се користи за производство на материјал наречен хетеродијамант, супертврдо соединение од бор, јаглерод и азот.
Можно е таложење на тенки слоеви на кубен бор нитрид под низок притисок. Како и кај растот на дијамантите, главниот проблем е да се потисне растот на шестаголните фази (h-BN или графит, соодветно). Додека кај растот на дијамантите тоа се постигнува со додавање на водороден гас, бор трифлуорид се користи за c-BN. Исто така, се користат таложење на јонски зрак, хемиско таложење на пареа засилено со плазма, таложење со импулсен ласер, реактивно распрскување и други методи на физичко таложење на пареа.
Подготовка на вурцит БН Вурцитов BN може да се добие преку статички методи на висок притисок или динамичен шок. Границите на неговата стабилност не се добро дефинирани. И c-BN и w-BN се формираат со компресирање на h-BN, но формирањето на w-BN се случува на многу пониски температури блиску до 1700 °C.
Производствена статистика