Hexagonales Bornitrid wird im Volksmund als \u201cwei\u00dfer Graphit\u201d bezeichnet, und dieser Spitzname ist sowohl n\u00fctzlich als auch ein wenig gef\u00e4hrlich. N\u00fctzlich, weil der Schichtenkristall tats\u00e4chlich wie Graphit aussieht und sich auch so anf\u00fchlt. Gef\u00e4hrlich, 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 erkl\u00e4ren 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 Kurzschl\u00fcsse vermieden werden m\u00fcssen, ist BN eine Klasse f\u00fcr sich.<\/p>\n
Die in der Industrie am wichtigsten Form ist hexagonales Bornitrid, h-BN. Es gibt auch kubisches Bornitrid \u2013 das ist der superharte Verwandte, der in Schneidwerkzeugen verwendet wird \u2013, aber es handelt sich um ein anderes Produkt mit einer anderen Aufgabe. Wenn in einer Zeichnung von \u201cBN-Keramik\u201d die Rede ist, ist damit fast immer hexagonales Material gemeint: Pulver, Beschichtung, hei\u00dfgepresste Formteile oder pyrolytische Bauteile.<\/p>\n
h-BN ist eines der wenigen Materialien, das W\u00e4rme gut leitet und gleichzeitig als elektrischer Isolator fungiert. Der spezifische Volumenwiderstand liegt typischerweise \u00fcber 10\u00b9\u2074 Ohm\u00b7cm. Die Dielektrizit\u00e4tskonstante liegt bei etwa 4. Aufgrund dieser Kombination findet es Anwendung in K\u00fchlk\u00f6rpern, Hochtemperaturisolatoren und als Polymerf\u00fcllstoff f\u00fcr W\u00e4rmeleitmaterialien. Graphit kann W\u00e4rme leiten. Kupfer kann W\u00e4rme leiten. Keines dieser beiden Materialien sorgt jedoch f\u00fcr die Isolierung Ihrer Schaltung.<\/p>\n
Zudem ist es gegen\u00fcber 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, erh\u00e4lt man Tiegel, Brechringe, Seitenw\u00e4nde, D\u00fcsen und Trennbeschichtungen, die sauberer bleiben als Graphit oder Oxidkeramik.<\/p>\n
Dann gibt es noch eine Eigenschaft, die in der Praxis oft untersch\u00e4tzt wird: die Bearbeitbarkeit. Hei\u00dfgepresstes BN l\u00e4sst sich mit herk\u00f6mmlichen Werkzeugen drehen, fr\u00e4sen und bohren. Man kann eine Prototyp-Vorrichtung an einem Nachmittag zuschneiden, anstatt auf das Diamantschleifen zu warten. Die Dichte ist gering, bei hei\u00dfgepressten Sorten liegt sie \u00fcblicherweise bei etwa 1,8\u20132,1 g\/cm\u00b3, sodass die Teile leicht sind. Die Temperaturwechselbest\u00e4ndigkeit ist ausgezeichnet, da die Struktur leicht gleiten kann und die Ausdehnung in den relevanten Richtungen moderat ist.<\/p>\n
Die Temperaturbest\u00e4ndigkeit h\u00e4ngt von der Umgebungsatmosph\u00e4re ab. An der Luft tritt ab etwa 900\u20131000 \u00b0C Oxidation auf. In Stickstoff, Argon oder im Vakuum k\u00f6nnen bindemittelfreie Sorten deutlich h\u00f6here Temperaturen erreichen \u2013 bei vielen Ofen- und Schmelzvorg\u00e4ngen weit \u00fcber 1800 \u00b0C hinaus, und pyrolytisches BN wird routinem\u00e4\u00dfig bei anspruchsvollen Vakuumarbeiten eingesetzt.<\/p>\n
Genau hier bereiten Datenbl\u00e4tter auf Websites den Leuten oft Probleme.<\/p>\n
Hei\u00dfgepresstes BN ist der g\u00e4ngige Feststoff. Das Pulver wird bei hoher Temperatur zu Barren gepresst und anschlie\u00dfend bearbeitet. Bei einigen Sorten kommt ein Bindemittel aus Boroxid oder Calciumborat zum Einsatz. Diese lassen sich leichter verdichten und sind kosteng\u00fcnstiger, allerdings greifen Feuchtigkeit und bestimmte chemische Stoffe das Bindemittel an. Bindemittelfreie oder diffusionsgebundene Sorten sind teurer und eignen sich besser f\u00fcr reinheitsempfindliche Schmelzen. Die Eigenschaften sind zudem anisotrop: W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit und Festigkeit k\u00f6nnen parallel und senkrecht zur Pressrichtung unterschiedlich ausfallen. Wenn man die Ausrichtung au\u00dfer Acht l\u00e4sst, kann ein \u201cgutes\u201d Bauteil dennoch in der falschen Achse Risse bilden oder sich \u00fcberhitzen.<\/p>\n
Pyrolytisches BN, kurz PBN, ist eine ganz andere Sache. Es wird durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt und nicht gepresst. Die Reinheit kann 99,991 % \u00fcbersteigen. Die Dichte liegt nahe am theoretischen Wert. Die Ausgasung ist extrem gering. Die W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit in der Ebene kann 150\u2013220 W\/m\u00b7K erreichen, w\u00e4hrend die W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit quer zur Dicke auf einige Watt abf\u00e4llt. Diese Anisotropie ist ein Vorteil bei Booten, Auskleidungen und MBE-Hardware. Sie ist jedoch kein Vorteil, wenn man einen dicken, kosteng\u00fcnstigen und leicht zu bearbeitenden Block ben\u00f6tigt. PBN ist f\u00fcr hochreine, d\u00fcnnwandige und vakuumkritische Anwendungen vorgesehen.<\/p>\n
Pulver und Beschichtungen leisten viel stille Arbeit. BN-Beschichtungen auf Stempeln, Formen, Gie\u00dfkan\u00e4len und Schwei\u00dfvorrichtungen verhindern das Anhaften von Metall. In Kunststoffen und W\u00e4rmeleitpads erh\u00f6ht pl\u00e4ttchenf\u00f6rmiges BN die Leitf\u00e4higkeit, ohne die Verbindung in einen Leiter zu verwandeln. Verbundwerkstoffe \u2013 BN in Kombination mit Siliziumkarbid oder anderen Keramiken \u2013 kommen zum Einsatz, wenn eine h\u00f6here Verschlei\u00dffestigkeit erforderlich ist, als reines BN bieten kann. Materialien vom Typ ZSBN sind ein typisches Beispiel daf\u00fcr: Sie sind nach wie vor gleitf\u00e4hig und thermisch vorteilhaft, weisen jedoch eine h\u00f6here Z\u00e4higkeit im Gleitkontakt auf.<\/p>\n
Die Metall- und Glasverarbeitung ist der naheliegende Anwendungsbereich. Tiegel, Wannen, Gussteile, Schutzh\u00fcllen f\u00fcr Thermoelemente und Trennbeschichtungen nutzen alle die nicht benetzende Oberfl\u00e4che. 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 sch\u00e4tzen BN-Vorrichtungen, Einstellvorrichtungen und Isolatoren, da sich die Teile leicht bearbeiten lassen und den Temperaturwechselzyklen standhalten. In der Elektronik wird BN als F\u00fcllstoff verwendet, wenn ein Geh\u00e4use oder eine Kontaktfl\u00e4che W\u00e4rme ableiten muss und gleichzeitig dielektrisch bleiben soll.<\/p>\n
Ich habe erlebt, dass eine einfache \u00c4nderung der Beschichtung mehr bewirkt als eine Materialaufwertung. Eine Graphitform, die bei jedem Schuss Risse bekam, kann mit einer geeigneten BN-Trennschicht zu einem einsatzf\u00e4higen Produktionswerkzeug werden. Eine Metallvorrichtung, die sich mit Aluminium verschwei\u00dfte, h\u00e4lt nun eine ganze Schicht statt nur einer Stunde. Das ist keine Theorie. Deshalb bleibt dieses Material den Wartungsteams im Ged\u00e4chtnis.<\/p>\n
Bornitrid-Keramik ist keine Verschlei\u00dfkeramik 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 w\u00e4hlen. Bindemittelsorten k\u00f6nnen hydratisieren. Lassen Sie ein B\u2082O\u2083-gebundenes Bauteil in einem feuchten Lagerraum liegen, kann es zu Pulverbildung oder Festigkeitsverlust kommen. Luftoxidation ist ein reales Problem; spezifizieren Sie BN nicht f\u00fcr lange Einwirkzeiten in offener Flamme, nur weil ein Wert f\u00fcr die Inertatmosph\u00e4re beeindruckend aussah. Und behandeln Sie PBN nicht wie hei\u00dfgepresstes Material. Sie werden zu viel bezahlen und trotzdem nicht die gew\u00fcnschte Form erhalten.<\/p>\n
Ein weiterer Fehler ist die Verwendung von BN-Keramik, nur weil jemand von \u201cHochtemperaturkeramik\u201d gesprochen hat. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid punkten jeweils in ihren eigenen Anwendungsbereichen. BN ist die richtige Wahl, wenn Isolierung in Verbindung mit W\u00e4rmeverteilung, nicht benetzendem Verhalten oder einem Bauteil gefragt ist, das sich nach dem Pressen bearbeiten l\u00e4sst.<\/p>\n
Geben Sie zun\u00e4chst die Form an: Pulver, Beschichtung, hei\u00dfgepresst, Verbundwerkstoff oder PBN. Geben Sie anschlie\u00dfend die Atmosph\u00e4re, 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.<\/p>\n
Bornitrid ist kein Wundermittel und kein Ersatz f\u00fcr jedes feuerfeste Material. Es ist das Material der Wahl, wenn Graphit zu verschmutzt oder zu leitf\u00e4hig ist und wenn herk\u00f6mmliche Oxidkeramik nass wird, klebt oder nicht rechtzeitig bearbeitet werden kann. W\u00e4hlt man die richtige Sorte, sieht es fast schon zu einfach aus. W\u00e4hlen Sie die falsche Sorte, und Sie werden schw\u00f6ren, dass das Datenblatt gelogen hat. Das Datenblatt hat wahrscheinlich nicht gelogen. Die Anwendung h\u00e4tte einfach eine passendere L\u00f6sung gebraucht.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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