Weißer Graphit, richtig gemacht: Ein praktischer Leitfaden zu Bornitrid

Hexagonales Bornitrid wird im Volksmund als “weißer Graphit” bezeichnet, und dieser Spitzname ist sowohl nützlich als auch ein wenig gefährlich. Nützlich, weil der Schichtenkristall tatsächlich wie Graphit aussieht und sich auch so anfühlt. Gefährlich, weil Graphit Strom leitet und eine Schmelze verunreinigen kann. Bornitrid tut beides nicht. Ich habe schon oft erlebt, wie Betriebe versucht haben, die beiden Stoffe als austauschbar zu behandeln, und dann eine Woche lang erklären mussten, warum Kohlenstoffablagerungen entstanden sind, Heizelemente kurzgeschlossen wurden oder eine Beschichtung an der Luft verschwunden ist. Wenn Sie mit hohen Temperaturen, geschmolzenem Metall oder Elektronik arbeiten, bei der Kurzschlüsse vermieden werden müssen, ist BN eine Klasse für sich.

Die in der Industrie am wichtigsten Form ist hexagonales Bornitrid, h-BN. Es gibt auch kubisches Bornitrid – das ist der superharte Verwandte, der in Schneidwerkzeugen verwendet wird –, aber es handelt sich um ein anderes Produkt mit einer anderen Aufgabe. Wenn in einer Zeichnung von “BN-Keramik” die Rede ist, ist damit fast immer hexagonales Material gemeint: Pulver, Beschichtung, heißgepresste Formteile oder pyrolytische Bauteile.

Was es so seltsam macht – im positiven Sinne

h-BN ist eines der wenigen Materialien, das Wärme gut leitet und gleichzeitig als elektrischer Isolator fungiert. Der spezifische Volumenwiderstand liegt typischerweise über 10¹⁴ Ohm·cm. Die Dielektrizitätskonstante liegt bei etwa 4. Aufgrund dieser Kombination findet es Anwendung in Kühlkörpern, Hochtemperaturisolatoren und als Polymerfüllstoff für Wärmeleitmaterialien. Graphit kann Wärme leiten. Kupfer kann Wärme leiten. Keines dieser beiden Materialien sorgt jedoch für die Isolierung Ihrer Schaltung.

Zudem ist es gegenüber einer Vielzahl geschmolzener Metalle und Schlacken nicht benetzbar. Aluminium, Zink, Kupfer, viele Glasarten und zahlreiche Halbleiterschmelzen haften nicht daran. Kombiniert man dies mit seiner chemischen Inertheit, erhält man Tiegel, Brechringe, Seitenwände, Düsen und Trennbeschichtungen, die sauberer bleiben als Graphit oder Oxidkeramik.

Dann gibt es noch eine Eigenschaft, die in der Praxis oft unterschätzt wird: die Bearbeitbarkeit. Heißgepresstes BN lässt sich mit herkömmlichen Werkzeugen drehen, fräsen und bohren. Man kann eine Prototyp-Vorrichtung an einem Nachmittag zuschneiden, anstatt auf das Diamantschleifen zu warten. Die Dichte ist gering, bei heißgepressten Sorten liegt sie üblicherweise bei etwa 1,8–2,1 g/cm³, sodass die Teile leicht sind. Die Temperaturwechselbeständigkeit ist ausgezeichnet, da die Struktur leicht gleiten kann und die Ausdehnung in den relevanten Richtungen moderat ist.

Die Temperaturbeständigkeit hängt von der Umgebungsatmosphäre ab. An der Luft tritt ab etwa 900–1000 °C Oxidation auf. In Stickstoff, Argon oder im Vakuum können bindemittelfreie Sorten deutlich höhere Temperaturen erreichen – bei vielen Ofen- und Schmelzvorgängen weit über 1800 °C hinaus, und pyrolytisches BN wird routinemäßig bei anspruchsvollen Vakuumarbeiten eingesetzt.

Noten sind nicht austauschbar

Genau hier bereiten Datenblätter auf Websites den Leuten oft Probleme.

Heißgepresstes BN ist der gängige Feststoff. Das Pulver wird bei hoher Temperatur zu Barren gepresst und anschließend bearbeitet. Bei einigen Sorten kommt ein Bindemittel aus Boroxid oder Calciumborat zum Einsatz. Diese lassen sich leichter verdichten und sind kostengünstiger, allerdings greifen Feuchtigkeit und bestimmte chemische Stoffe das Bindemittel an. Bindemittelfreie oder diffusionsgebundene Sorten sind teurer und eignen sich besser für reinheitsempfindliche Schmelzen. Die Eigenschaften sind zudem anisotrop: Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit können parallel und senkrecht zur Pressrichtung unterschiedlich ausfallen. Wenn man die Ausrichtung außer Acht lässt, kann ein “gutes” Bauteil dennoch in der falschen Achse Risse bilden oder sich überhitzen.

Pyrolytisches BN, kurz PBN, ist eine ganz andere Sache. Es wird durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt und nicht gepresst. Die Reinheit kann 99,991 % übersteigen. Die Dichte liegt nahe am theoretischen Wert. Die Ausgasung ist extrem gering. Die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene kann 150–220 W/m·K erreichen, während die Wärmeleitfähigkeit quer zur Dicke auf einige Watt abfällt. Diese Anisotropie ist ein Vorteil bei Booten, Auskleidungen und MBE-Hardware. Sie ist jedoch kein Vorteil, wenn man einen dicken, kostengünstigen und leicht zu bearbeitenden Block benötigt. PBN ist für hochreine, dünnwandige und vakuumkritische Anwendungen vorgesehen.

Pulver und Beschichtungen leisten viel stille Arbeit. BN-Beschichtungen auf Stempeln, Formen, Gießkanälen und Schweißvorrichtungen verhindern das Anhaften von Metall. In Kunststoffen und Wärmeleitpads erhöht plättchenförmiges BN die Leitfähigkeit, ohne die Verbindung in einen Leiter zu verwandeln. Verbundwerkstoffe – BN in Kombination mit Siliziumkarbid oder anderen Keramiken – kommen zum Einsatz, wenn eine höhere Verschleißfestigkeit erforderlich ist, als reines BN bieten kann. Materialien vom Typ ZSBN sind ein typisches Beispiel dafür: Sie sind nach wie vor gleitfähig und thermisch vorteilhaft, weisen jedoch eine höhere Zähigkeit im Gleitkontakt auf.

Wo es sich bezahlt macht

Die Metall- und Glasverarbeitung ist der naheliegende Anwendungsbereich. Tiegel, Wannen, Gussteile, Schutzhüllen für Thermoelemente und Trennbeschichtungen nutzen alle die nicht benetzende Oberfläche. In der Halbleiter- und Vakuumtechnik kommen PBN-Schiffchen, Heizungshalterungen und Kammerkomponenten zum Einsatz, da eine Verunreinigung durch Kohlenstoff inakzeptabel ist und die Isolierung auch bei hohen Temperaturen weiterhin eine wichtige Rolle spielt. Ofenbauer schätzen BN-Vorrichtungen, Einstellvorrichtungen und Isolatoren, da sich die Teile leicht bearbeiten lassen und den Temperaturwechselzyklen standhalten. In der Elektronik wird BN als Füllstoff verwendet, wenn ein Gehäuse oder eine Kontaktfläche Wärme ableiten muss und gleichzeitig dielektrisch bleiben soll.

Ich habe erlebt, dass eine einfache Änderung der Beschichtung mehr bewirkt als eine Materialaufwertung. Eine Graphitform, die bei jedem Schuss Risse bekam, kann mit einer geeigneten BN-Trennschicht zu einem einsatzfähigen Produktionswerkzeug werden. Eine Metallvorrichtung, die sich mit Aluminium verschweißte, hält nun eine ganze Schicht statt nur einer Stunde. Das ist keine Theorie. Deshalb bleibt dieses Material den Wartungsteams im Gedächtnis.

Wo es Sie enttäuschen wird

Bornitrid-Keramik ist keine Verschleißkeramik im Sinne von Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid. Sie ist relativ weich. Bei Anwendungen mit Schleifschlamm oder hartem Gleitkontakt sollten Sie einen Verbundwerkstoff verwenden oder ein anderes Material wählen. Bindemittelsorten können hydratisieren. Lassen Sie ein B₂O₃-gebundenes Bauteil in einem feuchten Lagerraum liegen, kann es zu Pulverbildung oder Festigkeitsverlust kommen. Luftoxidation ist ein reales Problem; spezifizieren Sie BN nicht für lange Einwirkzeiten in offener Flamme, nur weil ein Wert für die Inertatmosphäre beeindruckend aussah. Und behandeln Sie PBN nicht wie heißgepresstes Material. Sie werden zu viel bezahlen und trotzdem nicht die gewünschte Form erhalten.

Ein weiterer Fehler ist die Verwendung von BN-Keramik, nur weil jemand von “Hochtemperaturkeramik” gesprochen hat. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid punkten jeweils in ihren eigenen Anwendungsbereichen. BN ist die richtige Wahl, wenn Isolierung in Verbindung mit Wärmeverteilung, nicht benetzendem Verhalten oder einem Bauteil gefragt ist, das sich nach dem Pressen bearbeiten lässt.

Wie man die Spezifikation so gestaltet, dass das Bauteil tatsächlich funktioniert

Geben Sie zunächst die Form an: Pulver, Beschichtung, heißgepresst, Verbundwerkstoff oder PBN. Geben Sie anschließend die Atmosphäre, die Spitzentemperatur und die chemische Zusammensetzung an. Wenn geschmolzenes Metall beteiligt ist, geben Sie an, um welches Metall es sich handelt. Wenn ein Vakuum zum Einsatz kommt, erkundigen Sie sich nach dem Bindemittelgehalt und der Ausgasung. Wenn das Bauteil aus einem Rohling gefertigt wird, erkundigen Sie sich nach der Pressrichtung. Handelt es sich um eine Beschichtung, erkundigen Sie sich nach dem Bindemittelsystem, der Schichtdicke und dem Nachbeschichtungsintervall.

Bornitrid ist kein Wundermittel und kein Ersatz für jedes feuerfeste Material. Es ist das Material der Wahl, wenn Graphit zu verschmutzt oder zu leitfähig ist und wenn herkömmliche Oxidkeramik nass wird, klebt oder nicht rechtzeitig bearbeitet werden kann. Wählt man die richtige Sorte, sieht es fast schon zu einfach aus. Wählen Sie die falsche Sorte, und Sie werden schwören, dass das Datenblatt gelogen hat. Das Datenblatt hat wahrscheinlich nicht gelogen. Die Anwendung hätte einfach eine passendere Lösung gebraucht.