Hvid grafit, gjort rigtigt: En praktisk guide til bornitrid

Man kalder sekskantet bornitrid for “hvid grafit”, og dette kælenavn er både nyttigt og lidt farligt. Nyttigt, fordi det lagdelte krystal virkelig ligner og føles som grafit. Farligt, fordi grafit leder elektricitet og kan forurene en smelte. Bornitrid gør ingen af delene. Jeg har set fabrikker forsøge at behandle de to stoffer som udskiftelige og derefter bruge en uge på at forklare kulstofophobning, kortsluttede varmeelementer eller en belægning, der forsvandt i luften. Hvis du arbejder med høje temperaturer, smeltet metal eller elektronik, der ikke må kortslutte, er BN i en klasse for sig.

Den form, der har størst betydning i industrien, er hexagonalt bornitrid, h-BN. Der findes også kubisk bornitrid — det er den superhårde variant, der bruges i skæreværktøjer — men det er et andet produkt med en anden anvendelse. Når der i en tegning står “BN-keramik”, menes der næsten altid det hexagonale materiale: pulver, belægning, varmpresset form eller pyrolytisk komponent.

Hvad der gør det mærkeligt — på en god måde

h-BN er et af de få materialer, der leder varme godt og samtidig fungerer som en elektrisk isolator. Volumenmodstanden ligger typisk over 10¹⁴ ohm-cm. Den dielektriske konstant ligger omkring 4. Det er netop denne kombination, der gør, at det anvendes i kølelegemer, højtemperaturisolatorer og som polymerfyldstof i termiske grænsefladematerialer. Grafit kan sprede varme. Kobber kan sprede varme. Ingen af dem vil holde dit kredsløb isoleret.

Det er desuden ikke-fugtbart over for en lang række smeltede metaller og slagger. Aluminium, zink, kobber, mange typer glas og en lang række halvledersmeltninger klæber ikke til det. Tilføj kemisk inaktivitet, og du får smeltedigler, bryderinge, sidedæmninger, dyser og frigørelsesbelægninger, der forbliver renere end grafit eller oxidkeramik.

Derudover er der en egenskab, som folk ofte undervurderer i produktionen: bearbejdelighed. Varmpresset BN kan drejes, fræses og bores med konventionelle værktøjer. Man kan fremstille en prototype af en fastspændingsanordning på en eftermiddag i stedet for at vente på diamantslibning. Tætheden er lav, typisk omkring 1,8–2,1 g/cm³ for varmpressede kvaliteter, så emnerne er lette. Modstandsdygtigheden over for termisk chok er fremragende, fordi strukturen kan glide en smule, og udvidelsen er beskeden i de relevante retninger.

Temperaturtolerancen afhænger af atmosfæren. I luft begynder oxidation at spille en rolle ved omkring 900–1000 °C. I nitrogen, argon eller vakuum kan bindemiddelfrie kvaliteter klare meget højere temperaturer — langt over 1800 °C i mange ovn- og smelteopgaver, og pyrolytisk BN anvendes rutinemæssigt i krævende vakuumarbejde.

Karaktererne kan ikke byttes om

Det er her, at datablade på hjemmesider kan skabe problemer for folk.

Varmpresset BN er det almindelige faststof. Pulveret presses ved høj temperatur til emner, som derefter bearbejdes. I nogle kvaliteter anvendes et bindemiddel af boroxid eller calciumborat. Disse er nemmere at komprimere og billigere, men fugt og visse kemiske stoffer kan angribe bindemidlet. Bindemiddelfrie eller diffusionsbundne kvaliteter koster mere og er bedre egnet til smeltematerialer, hvor renheden er afgørende. Egenskaberne er desuden anisotrope: varmeledningsevnen og styrken kan variere parallelt og vinkelret på presseretningen. Hvis man ser bort fra orienteringen, kan en “god” komponent stadig revne eller blive overophedet i den forkerte akse.

Pyrolytisk BN, eller PBN, er noget helt andet. Det fremstilles ved kemisk dampaflejring og ikke ved presning. Renheden kan overstige 99,99%. Tætheden ligger tæt på den teoretiske værdi. Udgasningen er ekstremt lav. Varmeledningsevnen i plan kan nå op på 150–220 W/m·K, mens varmeledningsevnen gennem tykkelsen falder til et par watt. Denne anisotropi er en fordel i både, foringer og MBE-udstyr. Det er ikke en fordel, hvis man har brug for en tyk, billig og let bearbejdelig blok. PBN er beregnet til arbejde, der kræver høj renhed, tynde vægge og vakuumkritiske forhold.

Pulvere og belægninger udfører en stor del af det usynlige arbejde. BN-belægninger på matricer, forme, afløbsrender og svejsefiksturer forhindrer metal i at klæbe fast. I plastmaterialer og termiske underlag øger pladeformet BN ledningsevnen uden at gøre blandingen til en leder. Kompositkvaliteter – BN med siliciumkarbid eller andre keramiske materialer – anvendes, når der er behov for større slidstyrke, end rent BN kan tilbyde. Materialer af typen ZSBN er det typiske eksempel: de er stadig smørende og termisk anvendelige, men mere modstandsdygtige ved glidende kontakt.

Hvor det tjener sine penge

Bearbejdning af metal og glas er det oplagte anvendelsesområde. Smeltedigler, riller, støbedele, beskyttelse af termoelementer og slipbelægninger er alle afhængige af den ikke-fugtende overflade. I halvleder- og vakuumindustrien anvendes PBN-både, varmelegemeholdere og kammerkomponenter, da kulstofforurening er uacceptabel, og isolering stadig er afgørende ved høje temperaturer. Ovnproducenter foretrækker BN-jigs, indstillingsanordninger og isolatorer, fordi delene er lette at bearbejde og tåler gentagne cykler. Inden for elektronik bruges BN som fyldstof, når et hus eller en pad skal aflede varme og forblive dielektrisk.

Jeg har oplevet, at en simpel ændring af belægningen har haft større effekt end en opgradering af materialet. En grafitform, der fik ridser ved hvert skud, kan blive et produktionsværktøj med et ordentligt BN-frigørelseslag. En metalfastgørelse, der smeltede fast til aluminium, kan nu holde et helt skift i stedet for kun en time. Det er ikke bare teori. Det er derfor, vedligeholdelsespersonalet husker dette materiale.

Hvor det vil skuffe dig

Boronitridkeramik er ikke en slidkeramik i samme forstand som aluminiumoxid eller siliciumkarbid. Den er relativt blød. Hvis opgaven indebærer slibning med slurry eller hård glidekontakt, bør man anvende et kompositmateriale eller vælge et andet materiale. Bindemiddelkvaliteter kan hydratisere. Lader man en B₂O₃-bundet del stå i et fugtigt lagerrum, kan der opstå pulverisering eller tab af styrke. Luftoxidation er en reel risiko; specificer ikke BN til langvarig opbevaring i åben ild, blot fordi en værdi for inert atmosfære så imponerende ud. Og behandl ikke PBN som varmpresset materiale. Du kommer til at betale for meget og får alligevel ikke den form, du ønskede.

Den anden fejl er at bruge BN-keramik, blot fordi nogen sagde “højtemperaturkeramik”. Aluminiumoxid, siliciumnitrid og siliciumkarbid udmærker sig hver især på deres respektive områder. BN er det bedste valg, når der er behov for både isolering og varmefordeling, ikke-fugtende egenskaber eller en komponent, der kan bearbejdes efter presning.

Hvordan man udarbejder specifikationerne, så delen rent faktisk fungerer

Angiv først materialetypen: pulver, belægning, varmpresset, komposit eller PBN. Angiv derefter atmosfæren, spidstemperaturen og kemiske sammensætning. Hvis der er tale om smeltet metal, skal du angive, hvilket metal der er tale om. Hvis der er tale om vakuum, skal du spørge om bindemiddelindhold og udgasning. Hvis emnet er bearbejdet ud fra en billet, skal du spørge om presseretningen. Hvis der er tale om en belægning, skal du spørge om bindemiddelsystemet, filmtykkelsen og intervallet mellem påføring af nye lag.

Bornitrid er ikke noget mirakelpulver, og det kan ikke erstatte alle ildfaste materialer. Det er det materiale, man vælger, når grafit er for snavset eller for ledende, og når en konventionel oxidkeramik bliver fugtig, klæber fast eller ikke kan bearbejdes hurtigt nok. Vælger man den rigtige kvalitet, virker det næsten for nemt. Vælger du forkert, vil du sværge på, at databladet løj. Det gjorde databladet sandsynligvis ikke. Anvendelsen havde blot brug for et mere passende valg.