Grafite bianca, fatta come si deve: una guida pratica al nitruro di boro

Il nitruro di boro esagonale viene comunemente chiamato “grafite bianca”, e questo soprannome è al tempo stesso utile e un po’ pericoloso. Utile, perché il cristallo a strati ha davvero l’aspetto e la consistenza della grafite. Pericoloso, perché la grafite conduce l’elettricità e può contaminare un bagno fuso. Il nitruro di boro non fa né l’una né l’altra cosa. Ho visto impianti cercare di considerare i due materiali come intercambiabili e poi passare una settimana a spiegare il problema dell’assorbimento di carbonio, dei riscaldatori in cortocircuito o di un rivestimento scomparso a contatto con l’aria. Se si lavora con alte temperature, metalli fusi o componenti elettronici che non devono andare in cortocircuito, il BN è una classe a sé stante.

La forma più importante nel settore industriale è il nitruro di boro esagonale, h-BN. Esiste anche il nitruro di boro cubico — ovvero la variante superdura utilizzata negli utensili da taglio — ma si tratta di un prodotto diverso con una funzione diversa. Quando in un disegno tecnico si legge “ceramica BN”, quasi sempre si intende il materiale esagonale: in polvere, come rivestimento, in forma pressata a caldo o come componente pirolitico.

Ciò che lo rende strano — in senso positivo

L'h-BN è uno dei pochi materiali in grado di condurre bene il calore e allo stesso tempo di fungere da isolante elettrico. La resistività volumica è in genere superiore a 10¹⁴ ohm-cm. La costante dielettrica si aggira intorno a 4. È proprio questa combinazione di proprietà a renderlo adatto all'impiego in dissipatori di calore, isolanti per alte temperature e cariche polimeriche per materiali di interfaccia termica. La grafite è in grado di dissipare il calore. Anche il rame è in grado di dissipare il calore. Nessuno dei due, però, garantisce l’isolamento del circuito.

Inoltre, non viene bagnato da una lunga serie di metalli fusi e scorie. L’alluminio, lo zinco, il rame, molti tipi di vetro e numerosi metalli fusi utilizzati nei semiconduttori non tendono ad aderirvi. Se a ciò si aggiunge l’inerzia chimica, si ottengono crogioli, anelli di rottura, dighe laterali, ugelli e rivestimenti antiaderenti che rimangono più puliti rispetto alla grafite o alle ceramiche a base di ossidi.

C’è poi una caratteristica legata alla lavorazione in officina che viene spesso sottovalutata: la lavorabilità. Il BN pressato a caldo può essere tornito, fresato e forato con utensili convenzionali. È possibile realizzare un prototipo di maschera in un pomeriggio, invece di attendere la rettifica al diamante. La densità è bassa, solitamente intorno a 1,8–2,1 g/cm³ per i gradi pressati a caldo, quindi i pezzi risultano leggeri. La resistenza agli shock termici è eccellente perché la struttura può scorrere leggermente e l’espansione è modesta nelle direzioni utili.

La resistenza termica dipende dall’atmosfera. All’aria, l’ossidazione inizia a diventare un fattore rilevante intorno ai 900–1000 °C. In presenza di azoto, argon o nel vuoto, i tipi privi di legante possono raggiungere temperature molto più elevate — ben oltre i 1800 °C in molte operazioni di fusione e in forni — e il BN pirolitico viene abitualmente utilizzato in lavori sotto vuoto particolarmente impegnativi.

I gradi non sono intercambiabili

È proprio qui che le schede tecniche dei siti web mettono le persone nei guai.

Il BN pressato a caldo è il materiale più comunemente utilizzato. La polvere viene pressata ad alta temperatura in billette, che vengono poi lavorate. Alcune qualità utilizzano un legante a base di ossido di boro o borato di calcio. Questi sono più facili da densificare e più economici, ma l’umidità e alcune sostanze chimiche possono danneggiare il legante. Le qualità prive di legante o con giunzione per diffusione sono più costose e gestiscono meglio le fusioni sensibili alla purezza. Le proprietà sono inoltre anisotropiche: la conducibilità termica e la resistenza possono variare a seconda che siano parallele o perpendicolari alla direzione di pressatura. Se si trascura l’orientamento, un pezzo “buono” può comunque rompersi o surriscaldarsi lungo l’asse sbagliato.

Il BN pirolitico, o PBN, è tutta un’altra cosa. Viene prodotto tramite deposizione chimica da vapore, non mediante pressatura. La purezza può superare il 99,99%. La densità è vicina a quella teorica. Il degassamento è estremamente basso. La conduttività termica nel piano può raggiungere i 150–220 W/m·K, mentre quella trasversale allo spessore scende a un paio di watt. Tale anisotropia è una caratteristica apprezzata nelle barche, nei rivestimenti e nell’hardware MBE. Non è invece una caratteristica desiderabile se si ha bisogno di un blocco spesso, economico e facilmente lavorabile. Il PBN è indicato per lavorazioni che richiedono elevata purezza, pareti sottili e condizioni di vuoto critiche.

Le polveri e i rivestimenti svolgono gran parte del lavoro "dietro le quinte". I rivestimenti in BN su matrici, stampi, canali di colata e dispositivi di saldatura impediscono al metallo di attaccarsi. Nelle materie plastiche e nei cuscinetti termici, il BN in forma di piastrine aumenta la conduttività senza trasformare il composto in un conduttore. I gradi compositi — BN con carburo di silicio o altre ceramiche — vengono utilizzati quando è necessaria una resistenza all’usura superiore a quella che può offrire il BN puro. I materiali di tipo ZSBN ne sono l’esempio più comune: mantengono proprietà lubrificanti e termiche, ma sono più resistenti nei contatti di scorrimento.

Dove si guadagna da vivere

La lavorazione dei metalli e del vetro ne rappresenta l’applicazione più ovvia. Crogioli, vasche, parti per colate, protezioni per termocoppie e rivestimenti antiaderenti si avvalgono tutti della superficie non bagnabile. Nel settore dei semiconduttori e del vuoto si utilizzano barchette in PBN, supporti per riscaldatori e componenti per camere, poiché la contaminazione da carbonio è inaccettabile e l’isolamento termico rimane fondamentale anche a temperature elevate. I costruttori di forni apprezzano le maschere, i dispositivi di posizionamento e gli isolanti in BN perché questi componenti sono facili da lavorare e resistono ai cicli termici. Nel settore elettronico, il BN viene utilizzato come materiale di riempimento quando un alloggiamento o un supporto deve dissipare il calore e mantenere le proprietà dielettriche.

Ho constatato che una semplice modifica del rivestimento può dare risultati migliori rispetto al passaggio a un materiale di qualità superiore. Uno stampo in grafite che si graffiava a ogni colpo può trasformarsi in uno strumento di produzione con uno strato di distacco BN di buona qualità. Un dispositivo di fissaggio metallico che si saldava all’alluminio può durare un turno intero invece che solo un’ora. Non si tratta di teoria. Ecco perché le squadre di manutenzione ricordano questo materiale.

In che modo ti deluderà

La ceramica al nitruro di boro non è una ceramica resistente all'usura nel senso in cui lo sono l'allumina o il carburo di silicio. È relativamente morbida. Se l'applicazione prevede l'abrasione con sospensione o un contatto scorrevole con materiali duri, utilizzare un composito o scegliere un altro materiale. Alcuni tipi di leganti possono idratarsi. Se si lascia un pezzo con legante a base di B₂O₃ in un magazzino umido, si potrebbero verificare fenomeni di polverizzazione o perdita di resistenza. L’ossidazione all’aria è un fenomeno reale; non specificare il BN per lunghe esposizioni a fiamma libera solo perché i dati relativi all’atmosfera inerte sembravano impressionanti. E non trattate il PBN come un materiale pressato a caldo. Pagherete più del dovuto e non otterrete comunque la forma desiderata.

L'altro errore è quello di utilizzare la ceramica BN solo perché qualcuno ha parlato di “ceramica per alte temperature”. L’allumina, il nitruro di silicio e il carburo di silicio eccellono ciascuno nel proprio campo di applicazione. Il BN è la scelta ideale quando servono isolamento termico e diffusione del calore, proprietà idrorepellenti o un componente che possa essere lavorato meccanicamente dopo la pressatura.

Come definirne le specifiche affinché il componente funzioni effettivamente

Indica innanzitutto la forma: polvere, rivestimento, pressato a caldo, composito o PBN. Quindi specifica l’atmosfera, la temperatura di picco e la composizione chimica. Se è coinvolto del metallo fuso, specificare di quale metallo si tratta. Se è coinvolto il vuoto, chiedere informazioni sul contenuto di legante e sul degassamento. Se il pezzo è ricavato da una billetta, chiedere informazioni sulla direzione di pressatura. Se si tratta di un rivestimento, chiedere informazioni sul sistema legante, sullo spessore del film e sull’intervallo di rivestimento.

Il nitruro di boro non è una polvere miracolosa e non sostituisce tutti i materiali refrattari. È il materiale a cui si ricorre quando la grafite è troppo sporca o troppo conduttiva, e quando una ceramica ossidica convenzionale si bagna, si incolla o non può essere lavorata in tempo. Se si sceglie il grado giusto, sembra quasi troppo facile. Se si sbaglia, si finirà per giurare che la scheda tecnica mentisse. Probabilmente non era così. L’applicazione richiedeva semplicemente una scelta più adeguata.