Bílý grafit, jak se patří: Praktický průvodce nitridem boru

Lidé nazývají hexagonální nitrid boru “bílým grafitem” a tato přezdívka je zároveň užitečná i trochu nebezpečná. Užitečná proto, že tento vrstevnatý krystal skutečně vypadá a na dotek připomíná grafit. Nebezpečná proto, že grafit vede elektřinu a může kontaminovat taveninu. Nitrid boru ani jedno z toho nedělá. Viděl jsem, jak se v závodech pokoušeli tyto dva materiály považovat za zaměnitelné, a pak strávili týden vysvětlováním, proč dochází k absorpci uhlíku, zkratům topných těles nebo k tomu, že povlak zmizel na vzduchu. Pokud pracujete s vysokými teplotami, roztaveným kovem nebo elektronikou, u které nesmí dojít ke zkratu, je BN třída sama pro sebe.

V průmyslu má největší význam hexagonální nitrid boru (h-BN). Existuje také kubický nitrid boru – to je ten supertvrdý “příbuzný”, který se používá v řezných nástrojích –, ale jedná se o jiný produkt s jiným účelem. Pokud je v výkresu uvedeno „keramika BN“, téměř vždy se jedná o hexagonální materiál: prášek, povlak, lisovaný za tepla tvar nebo pyrolytický díl.

Co na tom je zvláštní – v tom dobrém smyslu

h-BN je jedním z mála materiálů, které dobře vedou teplo a zároveň fungují jako elektrický izolátor. Objemový měrný odpor se obvykle pohybuje nad 10¹⁴ ohm·cm. Dielektrická konstanta se pohybuje kolem hodnoty 4. Právě díky této kombinaci se h-BN používá v chladičích, vysokoteplotních izolátorech a jako plnivo v polymerech pro materiály pro tepelný kontakt. Grafit dokáže rozvádět teplo. Měď dokáže rozvádět teplo. Ani jeden z těchto materiálů však nezajistí izolaci vašeho obvodu.

Je také neomokavý vůči celé řadě roztavených kovů a strusek. Hliník, zinek, měď, mnoho druhů skla a spousta roztavených polovodičů se na něj nelepí. Přidejte k tomu chemickou inertnost a získáte kelímky, přerušovací kroužky, boční přepážky, trysky a uvolňovací povlaky, které zůstávají čistší než grafit nebo oxidová keramika.

Dalším aspektem, který se v praxi často podceňuje, je obrobitelnost. BN lisovaný za tepla lze soustružit, frézovat a vrtat běžnými nástroji. Prototyp upínacího přípravku můžete vyrobit za jedno odpoledne, místo abyste čekali na diamantové broušení. Hustota je nízká, u za tepla lisovaných druhů se obvykle pohybuje kolem 1,8–2,1 g/cm³, takže díly jsou lehké. Odolnost proti tepelnému šoku je vynikající, protože struktura se může mírně posouvat a roztažnost je v užitečných směrech nízká.

Teplotní odolnost závisí na atmosféře. Ve vzduchu začíná být oxidace významným faktorem při teplotách kolem 900–1000 °C. V dusíku, argonu nebo ve vakuu mohou typy bez pojiva dosahovat mnohem vyšších teplot — v mnoha pecích a při tavení i výrazně nad 1800 °C, přičemž pyrolytický BN se běžně používá při náročných vakuových procesech.

Stupně nejsou zaměnitelné

Právě v tomto ohledu mohou technické listy webových stránek lidem způsobit potíže.

BN lisovaný za tepla je běžně používaný pevný materiál. Prášek se při vysoké teplotě lisuje do sochorů, které se následně obrábějí. U některých druhů se jako pojivo používá oxid boru nebo boritan vápenatý. Tyto materiály se snáze zhutňují a jsou levnější, avšak vlhkost a určité chemické látky mohou pojivo narušit. Druhy bez pojiva nebo s difúzním spojem jsou dražší a lépe zvládají taveniny citlivé na čistotu. Vlastnosti jsou také anizotropní: tepelná vodivost a pevnost se mohou lišit v rovině rovnoběžné a kolmé ke směru lisování. Pokud orientaci nezohledníte, může se i “dobrý” díl v nesprávné ose prasknout nebo se přehřívat.

Pyrolytický BN, neboli PBN, je zcela jiná záležitost. Vyrábí se metodou chemického nanášení z plynné fáze, nikoli lisováním. Čistota může přesáhnout 99,99%. Hustota se blíží teoretické hodnotě. Odplyňování je extrémně nízké. Tepelná vodivost v rovině může dosáhnout 150–220 W/m·K, zatímco vodivost napříč tloušťkou klesá na několik wattů. Tato anizotropie je výhodou v lodích, vložkách a hardwaru MBE. Není to však výhoda, pokud potřebujete tlustý, levný a snadno obrobitelný blok. PBN je určen pro vysoce čisté, tenkostěnné a vakuově kritické aplikace.

Prášky a povlaky vykonávají velkou část práce v pozadí. Povlaky z BN na lisovacích matricích, formách, žlabech a svařovacích přípravcích zabraňují ulpívání kovu. V plastech a tepelných podložkách zvyšuje destičkový BN vodivost, aniž by se směs stala vodičem. Kompozitní typy – BN s karbidem křemíku nebo jinými keramickými materiály – se používají v případech, kdy je zapotřebí vyšší odolnosti proti opotřebení, než jakou může poskytnout čistý BN. Typickým příkladem jsou materiály typu ZSBN: stále mají mazací vlastnosti a jsou tepelně užitečné, ale při kluzném kontaktu jsou odolnější.

V čem spočívá jeho přínos

Zpracování kovů a skla je pro tento materiál ideálním uplatněním. Tégle, žlaby, odlévané díly, ochrana termočlánků a uvolňovací povlaky – to vše využívá jeho nesměšující povrch. V polovodičovém a vakuovém průmyslu se používají člunky z PBN, podpěry topných těles a komorové příslušenství, protože kontaminace uhlíkem je nepřijatelná a izolace má i při vysokých teplotách stále svůj význam. Výrobci pecí upřednostňují BN pro upínací přípravky, polohovače a izolační prvky, protože se tyto díly snadno obrábějí a odolávají opakovaným teplotním cyklům. V elektronice se BN používá jako výplň, když musí pouzdro nebo podložka odvádět teplo a zároveň zůstat dielektrické.

Viděl jsem, že pouhá změna povrchové úpravy dokáže více než vylepšení materiálu. Grafitová matrice, která při každém výstřelu zanechávala rýhy, se s kvalitní uvolňovací vrstvou BN může stát výrobním nástrojem. Kovové upínací zařízení, které se přivařilo k hliníku, může vydržet celou směnu místo pouhé hodiny. To není jen teorie. Právě proto si údržbáři tento materiál pamatují.

V čem vás zklame

Keramika z nitridu boru není otěruvzdorná keramika ve smyslu keramiky z oxidu hlinitého nebo karbidu křemíku. Je relativně měkká. Pokud se jedná o otěr kalem nebo tvrdý kluzný kontakt, použijte kompozit nebo zvolte jiný materiál. Druhy s pojivem mohou hydratovat. Pokud necháte díl s pojivem B₂O₃ ve vlhkém skladu, může dojít k práškování nebo ztrátě pevnosti. Oxidace na vzduchu je reálná; nespecifikujte BN pro dlouhodobé vystavení otevřenému plameni jen proto, že hodnota pro inertní atmosféru vypadala působivě. A nezacházejte s PBN jako s horko lisovaným materiálem. Zaplatíte zbytečně více a přesto nezískáte požadovaný tvar.

Další chybou je použití keramiky BN jen proto, že někdo zmínil “vysokoteplotní keramiku”. Oxid hlinitý, nitrid křemíku a karbid křemíku vynikají každý ve své vlastní oblasti. BN je vhodná, pokud potřebujete izolaci spolu s rozptylem tepla, neomokavost nebo díl, který lze po lisování obrábět.

Jak specifikovat, aby daná součástka skutečně fungovala

Nejprve uveďte formu: prášková, povlaková, lisovaná za tepla, kompozitní nebo PBN. Poté uveďte atmosféru, maximální teplotu a chemické složení. Pokud se jedná o roztavený kov, uveďte, o jaký kov jde. Pokud se jedná o vakuové zpracování, zeptejte se na obsah pojiva a odplyňování. Pokud je díl obráběn z polotovaru, zeptejte se na směr lisování. Pokud se jedná o povlak, zeptejte se na systém pojiva, tloušťku vrstvy a interval mezi jednotlivými nátěry.

Nitrid boru není žádný zázračný prášek a nenahrazuje všechny žáruvzdorné materiály. Je to materiál, po kterém sáhnete, když je grafit příliš znečištěný nebo příliš vodivý, a když se běžná oxidová keramika smáčí, lepí nebo ji nelze včas obrobit. Pokud zvolíte správnou třídu, vypadá to téměř až příliš snadno. Pokud se však zmýlíte, budete si myslet, že technický list lhal. Technický list pravděpodobně nelhal. Daná aplikace prostě vyžadovala přesnější volbu materiálu.