الجرافيت الأبيض، كما ينبغي: دليل عملي لنيتريد البورون

يطلق الناس على نيتريد البورون السداسي “الجرافيت الأبيض”، وهذا اللقب مفيد وفي الوقت نفسه خطير بعض الشيء. فهو مفيد لأن البلورة الطبقية تبدو بالفعل مثل الجرافيت وتشبهه في الملمس. أما خطورتها فتكمن في أن الجرافيت يوصل الكهرباء ويمكن أن يلوث المادة المنصهرة، في حين أن نيتريد البورون لا يفعل أيًا من ذلك. لقد شاهدت مصانع تحاول التعامل مع المادتين على أنهما متبادلتان، ثم تقضي أسبوعًا في شرح مشاكل امتصاص الكربون، أو حدوث قصر في السخانات، أو اختفاء الطلاء في الهواء. إذا كنت تعمل في بيئة ذات درجات حرارة عالية، أو مع معادن منصهرة، أو مع أجهزة إلكترونية لا يمكن أن تتعرض لقصر الدائرة، فإن نيتريد البورون (BN) يُعد فئةً فريدةً بحد ذاتها.

الشكل الأكثر أهمية في الصناعة هو نيتريد البورون السداسي (h-BN). ويوجد أيضًا نيتريد البورون المكعب — وهو النوع فائق الصلابة المستخدم في أدوات القطع — لكنه منتج مختلف له وظيفة مختلفة. وعندما يرد في المخطط مصطلح “سيراميك BN”، فإنه يشير في الغالب إلى المادة السداسية الشكل: سواء كان ذلك في صورة مسحوق، أو طلاء، أو شكل مُضغوط بالحرارة، أو قطعة مُنتجة بالانحلال الحراري.

ما الذي يجعل الأمر غريبًا — بالمعنى الإيجابي

يُعد h-BN إحدى المواد القليلة التي تنقل الحرارة بشكل جيد وتظل في الوقت نفسه تعمل كعازل كهربائي. وتبلغ المقاومة النوعية الحجمية عادةً ما يزيد عن 10¹⁴ أوم-سم. أما الثابت العازل فيبلغ حوالي 4. وهذا المزيج هو السبب في استخدامه في المبددات الحرارية، والعوازل المقاومة لدرجات الحرارة العالية، وحشوات البوليمر المستخدمة في مواد الواجهة الحرارية. يمكن للجرافيت أن ينقل الحرارة. ويمكن للنحاس أن ينقل الحرارة. لكن لا أحدهما سيحافظ على عزل الدائرة الكهربائية.

كما أنه مقاوم للبلل بالنسبة لقائمة طويلة من المعادن المنصهرة والخبث. فالألومنيوم والزنك والنحاس والعديد من أنواع الزجاج، بالإضافة إلى الكثير من مواد أشباه الموصلات المنصهرة، لا تلتصق به. أضف إلى ذلك خموله الكيميائي، وستحصل على بوتقات، وحلقات كسر، وحواجز جانبية، وفوهات، وطلاءات تحرير تظل أنظف من الجرافيت أو السيراميك المؤكسد.

ثم هناك خاصية تُستخدم في ورش التصنيع يُستخف بها الكثيرون: قابلية التشغيل الآلي. يمكن خراطة مادة BN المضغوطة على الساخن، وطحنها، وحفرها باستخدام الأدوات التقليدية. يمكنك قطع قالب نموذجي في ظهيرة يوم واحد بدلاً من الانتظار حتى يتم الطحن بالماس. الكثافة منخفضة، وعادةً ما تتراوح بين 1.8 و2.1 جم/سم³ للدرجات المضغوطة بالحرارة، لذا فإن الأجزاء خفيفة الوزن. مقاومة الصدمات الحرارية ممتازة لأن البنية يمكن أن تنزلق قليلاً والتمدد معتدل في الاتجاهات المفيدة.

تعتمد القدرة على تحمل درجات الحرارة على البيئة المحيطة. ففي الهواء، تبدأ الأكسدة في التأثير عند درجات حرارة تتراوح بين 900 و1000 درجة مئوية. أما في بيئة النيتروجين أو الأرجون أو الفراغ، فيمكن للأنواع الخالية من المادة الرابطة أن تتحمل درجات حرارة أعلى بكثير — تتجاوز 1800 درجة مئوية بكثير في العديد من عمليات الصهر والأفران، كما يُستخدم البورون الحراري (BN) بشكل روتيني في الأعمال الشاقة التي تتطلب بيئة فراغية.

الدرجات غير قابلة للتبادل

وهذا هو المكان الذي تتسبب فيه أوراق بيانات المواقع الإلكترونية في وقوع الناس في مشاكل.

يُعد البورون النيتروجيني (BN) المضغوط على الساخن المادة الصلبة الأكثر استخدامًا. حيث يتم ضغط المسحوق عند درجة حرارة عالية لتشكيل قضبان، ثم يتم تشكيلها آليًّا. وتستخدم بعض الدرجات مادة رابطة من أكسيد البورون أو بورات الكالسيوم. وتتميز هذه الدرجات بسهولة تكثيفها وتكلفتها المنخفضة، لكن الرطوبة وبعض المواد الكيميائية تتسبب في تآكل المادة الرابطة. أما الأنواع الخالية من المادة الرابطة أو المرتبطة بالانتشار فهي أكثر تكلفة وتتعامل بشكل أفضل مع المواد المنصهرة الحساسة للنقاء. كما أن الخصائص متباينة الاتجاهات: فقد تختلف الموصلية الحرارية والقوة تبعًا لوجودها في اتجاه موازٍ أو عمودي على اتجاه الضغط. وإذا تجاهلت اتجاه الضغط، فقد يتشقق الجزء “الجيد” أو يسخن بشكل مفرط في المحور الخاطئ.

يُعد البورون النيروني الحراري (PBN) مادة مختلفة تمامًا. يتم إنتاجه عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار، وليس بالضغط. ويمكن أن تتجاوز درجة نقاوته 99.99%. وتقترب كثافته من القيمة النظرية. كما أن معدل انبعاث الغازات منه منخفض للغاية. يمكن أن تصل الموصلية الحرارية في المستوى إلى 150–220 واط/م·ك، بينما تنخفض الموصلية عبر السماكة إلى بضعة واطات. ويُعد هذا التباين في الخصائص ميزة في القوارب والبطانات وأجهزة MBE. ولا يُعد ميزة إذا كنت بحاجة إلى كتلة سميكة ورخيصة وسهلة التشغيل. يُستخدم PBN في الأعمال التي تتطلب درجة نقاء عالية وجدران رقيقة وفراغًا دقيقًا.

تؤدي المساحيق والطلاءات الكثير من المهام الخفية. فطلاءات البورون النيتريد (BN) على القوالب، والقوالب الصب، وقنوات الصب، وتركيبات اللحام تمنع المعدن من الالتصاق. وفي المواد البلاستيكية والوسادات الحرارية، تعمل جزيئات البورون النيتريد على زيادة التوصيلية دون تحويل المركب إلى مادة موصلة. تتوفر أنواع مركبة — BN مع كربيد السيليكون أو أنواع أخرى من السيراميك — عندما تحتاج إلى مقاومة تآكل أكبر مما يوفره BN النقي. وتعد المواد من نوع ZSBN المثال المعتاد: فهي لا تزال تتمتع بخصائص التشحيم والفائدة الحرارية، ولكنها أكثر صلابة في التلامس الانزلاقي.

المجال الذي يكسب فيه رزقه

تعد معالجة المعادن والزجاج المجال الأمثل لاستخدام هذا المادة. فالبوتقات، والأحواض، وأجزاء آلات الصب، وحماية المزدوجات الحرارية، وطلاءات الفصل تعتمد جميعها على السطح غير القابل للبلل. أما في مجال أشباه الموصلات والأعمال الفراغية، فيُستخدم PBN في صناعة القوارب، ودعامات السخانات، ومكونات الغرف، لأن تلوث الكربون أمر غير مقبول، كما أن العزل الحراري لا يزال عاملاً مهمًا عند درجات الحرارة المرتفعة. ويفضل صانعو الأفران استخدام قوالب BN وأجهزة الضبط والعوازل، لأن هذه الأجزاء سهلة التصنيع وتتحمل الدورات المتكررة. أما في مجال الإلكترونيات، فيُستخدم BN كمواد حشو عندما يتعين على الغلاف أو الوسادة التخلص من الحرارة مع الحفاظ على خصائصها العازلة.

لقد رأيتُ كيف أن تغييرًا بسيطًا في الطلاء يحقق نتائج أفضل من ترقية المواد نفسها. فالقالب المصنوع من الجرافيت الذي كان يترك علامات على كل قطعة مصبوبة يمكن أن يتحول إلى أداة إنتاج فعالة بفضل طبقة فصل من نوع BN جيدة. كما أن القالب المعدني الذي كان يلتصق بالألمنيوم يمكنه الآن العمل لمدة نوبة كاملة بدلاً من ساعة واحدة فقط. وهذا ليس مجرد نظرية. ولهذا السبب تتذكر فرق الصيانة هذه المادة.

الأمور التي قد تخيب آمالك

سيراميك نيتريد البورون ليس سيراميكًا مقاومًا للتآكل بالمعنى المفهوم في حالة الألومينا أو كربيد السيليكون. فهو ناعم نسبيًا. إذا كانت المهمة تتضمن تآكلًا بالملاط أو تلامسًا انزلاقيًّا صلبًا، فاستخدم مادة مركبة أو اختر مادة أخرى. قد تتعرض درجات المادة الرابطة للترطيب. إذا تركت قطعة مربوطة بـ B₂O₃ في غرفة تخزين رطبة، فقد تتعرض للتفتت أو فقدان القوة. الأكسدة الهوائية حقيقة واقعة؛ فلا تحدد مواصفات BN للاستخدام لفترات طويلة في اللهب المكشوف لمجرد أن الرقم الخاص بالبيئة الخاملة بدا مثيرًا للإعجاب. ولا تعامل مادة PBN كأنها مادة خام مضغوطة على الساخن. فسوف تدفع مبلغًا زائدًا ولن تحصل مع ذلك على الشكل الذي تريده.

الخطأ الآخر هو استخدام السيراميك BN لمجرد أن أحدهم قال “سيراميك مقاوم للحرارة العالية”. فالألومينا، ونيتريد السيليكون، وكربيد السيليكون، كل منها يتفوق في مجاله الخاص. أما BN فيتفوق عندما تكون هناك حاجة إلى العزل الحراري بالإضافة إلى توزيع الحرارة، أو خصائص مقاومة التبلل، أو قطعة يمكن تشكيلها آليًّا بعد الضغط.

كيفية تحديد مواصفاته بحيث يعمل القطعة فعليًّا

حدد الشكل أولاً: مسحوق، طلاء، مضغوط بالحرارة، مركب، أو PBN. ثم حدد الغلاف الجوي، ودرجة الحرارة القصوى، والتركيب الكيميائي. إذا كان الأمر يتعلق بمعدن منصهر، فحدد نوع المعدن. إذا كان الأمر يتعلق بالفراغ، فاستفسر عن محتوى المادة الرابطة وعملية إطلاق الغازات. إذا كان الجزء مُشكَّلًا آليًّا من قطعة خام، فاستفسر عن اتجاه الضغط. إذا كان الأمر يتعلق بطلاء، فاستفسر عن نظام المادة الرابطة وسماكة الطبقة وفترة إعادة الطلاء.

نيتريد البورون ليس مسحوقًا معجزةً، كما أنه ليس بديلاً عن جميع المواد المقاومة للحرارة. إنه المادة التي تلجأ إليها عندما يكون الجرافيت شديد الاتساخ أو شديد التوصيل، وعندما تتبلل السيراميك الأكسيدية التقليدية أو تلتصق أو يتعذر تصنيعها آليًّا في الوقت المناسب. اختر الدرجة المناسبة وستبدو العملية سهلة للغاية. أما إذا اخترت الدرجة الخاطئة، فستقسم أن ورقة البيانات كذبت. وربما لم تكذب ورقة البيانات. بل كان التطبيق يحتاج فقط إلى مطابقة أكثر دقة.