„White Graphite“ – kaip reikia: praktinis vadovas apie boro nitridą

Žmonės šešiakampį boro nitridą vadina “baltuoju grafitu”, ir šis pavadinimas yra tiek naudingas, tiek šiek tiek pavojingas. Naudingas, nes sluoksniuotas kristalas iš tikrųjų atrodo ir liečiasi kaip grafitas. Pavojingas, nes grafitas laidžia elektrą ir gali užteršti lydinį. Boro nitridas to nedaro. Esu matęs, kaip gamyklos bando laikyti šias dvi medžiagas tarpusavyje pakeičiamomis, o paskui savaitę turi aiškinti, kodėl susidaro anglies nuosėdos, trumpojo jungimo šildytuvai arba kodėl danga išnyksta ore. Jei dirbate su aukšta temperatūra, išlydytu metalu arba elektronika, kurioje negali įvykti trumpojo jungimo, BN yra visiškai išskirtinis pasirinkimas.

Pramonėje svarbiausia forma yra šešiakampis boro nitridas, h-BN. Taip pat egzistuoja kubinis boro nitridas – tai ypač kietas jo “pusseseris”, naudojamas pjovimo įrankiuose – tačiau tai yra kitoks produktas, skirtas kitai paskirčiai. Kai brėžinyje nurodyta „BN keramika“, beveik visada turima omenyje šešiakampė medžiaga: milteliai, danga, karšto presavimo forma arba pirolizinė detalė.

Kas tai daro keista — gerąja prasme

h-BN yra viena iš nedaugelio medžiagų, kuri gerai perduoda šilumą ir kartu veikia kaip elektros izoliatorius. Tūrinė varža paprastai viršija 10¹⁴ omų-cm. Dielektrinė konstanta yra apie 4. Būtent dėl šio derinio ji naudojama šilumokaičiuose, aukštos temperatūros izoliatoriuose ir polimeriniuose užpilduose, skirtuose šiluminiams sąsajų medžiagoms. Grafitas gali skleisti šilumą. Varis taip pat gali skleisti šilumą. Tačiau nė viena iš šių medžiagų neužtikrins jūsų grandinės izoliacijos.

Be to, jis yra atsparus drėgmei, kurią sukelia daugelis išlydytų metalų ir šlakų. Aliuminis, cinkas, varis, daugelis stiklų rūšių ir daugelis puslaidininkių lydinių prie jo nelimpa. Pridėkite cheminį inertiškumą ir gausite tigliai, sulaužymo žiedai, šoninės pertvaros, purkštukai ir išlaisvinimo dangos, kurios išlieka švaresnės nei grafito ar oksidų keramikos.

Be to, yra dar viena gamybos procese svarbi savybė, kurią žmonės dažnai nuvertina: apdirbamumas. Karštai presuotą BN galima tekinti, frezuoti ir gręžti naudojant įprastus įrankius. Prototipinį tvirtinimo įtaisą galima išpjauti per vieną popietę, o ne laukti, kol bus atliktas deimantinis šlifavimas. Tankis yra mažas – karštai presuotų rūšių atveju paprastai siekia apie 1,8–2,1 g/cm³, todėl detalės yra lengvos. Atsparumas terminiams smūgiams yra puikus, nes struktūra gali šiek tiek pasislinkti, o plėtimasis naudingomis kryptimis yra nedidelis.

Temperatūrinės savybės priklauso nuo aplinkos. Ore oksidacija tampa reikšminga esant maždaug 900–1000 °C temperatūrai. Azoto, argono ar vakuumo aplinkoje rišiklio neturintys lydiniai gali pasiekti žymiai aukštesnę temperatūrą – daugelyje krosnių ir lydymo procesų gerokai viršija 1800 °C, o pirolizinis BN dažnai naudojamas sudėtingose vakuuminėse operacijose.

Pažymiai nėra tarpusavyje keičiami

Būtent čia svetainių techniniai aprašymai sukelia žmonėms problemų.

Karštai presuotas BN yra kasdien naudojama kieta medžiaga. Milteliai aukštoje temperatūroje suspaudžiami į ruošinius, o vėliau apdirbami. Kai kuriose rūšyse naudojamas boro oksido arba kalcio borato rišiklis. Tokias medžiagas lengviau sutankinti ir jos yra pigesnės, tačiau drėgmė ir tam tikros cheminės medžiagos ardo rišiklį. Rišiklio neturintys arba difuzijos būdu sujungti tipai kainuoja brangiau ir geriau tinka dirbti su lydiniais, kuriems svarbus grynumas. Savybės taip pat yra anizotropinės: šilumos laidumas ir stipris gali skirtis lygiagrečiai ir statmenai presavimo krypčiai. Jei neatsižvelgsite į orientaciją, “geras” gaminys vis tiek gali įtrūkti arba perkaisti netinkamoje ašyje.

Pirolizinis BN, arba PBN, yra visiškai kitoks medžiagos tipas. Jis gaunamas cheminio garų nusodinimo būdu, o ne presuojamas. Grynumas gali viršyti 99,99%. Tankis artimas teoriniam. Dujų išsiskyrimas yra itin mažas. Šilumos laidumas plokštumoje gali siekti 150–220 W/m·K, o skersai storio – sumažėja iki kelių vatų. Ši anizotropija yra privalumas gaminant laivus, įdėklus ir MBE įrangą. Tačiau tai nėra privalumas, jei jums reikia storio, pigaus ir lengvai apdirbamo bloko. PBN skirtas aukšto grynumo, plonasienių, vakuumui jautrių darbų atlikimui.

Milteliai ir dangos atlieka didelę dalį nepastebimo darbo. BN dangos ant štampų, liejimo formų, liejimo kanalų ir suvirinimo įtaisų neleidžia metalui prilipti. Plastikuose ir šiluminiuose įdėkluose plokštelinis BN padidina laidumą, nepaverčiant mišinio laidininku. Kompozitiniai variantai – BN su silicio karbidu ar kitomis keramikos medžiagomis – naudojami tada, kai reikia didesnio atsparumo dilimui, nei gali suteikti grynas BN. Tipiškas pavyzdys – ZSBN tipo medžiagos: jos išlieka slidžios ir naudingos šiluminiu požiūriu, tačiau yra atsparesnės slydimo sąlygomis.

Iš ko ji uždirba pragyvenimui

Metalo ir stiklo apdirbimas yra akivaizdi šio medžiagos taikymo sritis. Tigliai, loviai, liejimo detalių dalys, termoparų apsauga ir atpalaiduojančios dangos – visos šios sritys remiasi nesudrėkinančiu paviršiumi. Puslaidininkių ir vakuuminių technologijų srityse naudojami PBN indai, kaitinimo elementų laikikliai ir kamerų detalės, nes anglies užteršimas yra nepriimtinas, o izoliacija aukštoje temperatūroje tebėra svarbi. Krosnių gamintojai mėgsta BN tvirtinimo įtaisus, nustatymo įrenginius ir izoliatorius, nes šios detalės lengvai apdirbamos ir atlaiko ciklinius apkrovos pokyčius. Elektronikos pramonėje BN naudojamas kaip užpildas, kai korpusas ar plokštelė turi išsklaidyti šilumą ir išlikti dielektrinė.

Esu matęs, kaip paprastas dangos pakeitimas duoda daugiau naudos nei pačios medžiagos patobulinimas. Grafito matrica, kuri kiekvieno šūvio metu palikdavo įbrėžimus, su tinkamu BN atpalaidavimo sluoksniu gali tapti gamybos įrankiu. Metalinis tvirtinimo elementas, kuris anksčiau prilipdavo prie aliuminio, dabar gali tarnauti visą pamainą, o ne tik valandą. Tai ne teorija. Būtent todėl techninės priežiūros brigados prisimena šią medžiagą.

Kuo tai jus nuvils

Boro nitrido keramika nėra tokia pat atspari nusidėvėjimui kaip aliuminio oksido ar silicio karbido keramika. Ji yra palyginti minkšta. Jei darbas susijęs su šlapiu abrazyviniu poveikiu arba kietu slydimo kontaktu, naudokite kompozitą arba pasirinkite kitą medžiagą. Rišiklių rūšys gali hidratuotis. Jei B₂O₃ rišiklio detalę paliksite drėgnoje saugykloje, ji gali susmulkėti arba prarasti stiprumą. Oksidacija ore yra reali; nenurodykite BN, jei detalė ilgą laiką bus laikoma atviroje liepsnoje, vien dėl to, kad inertiškos atmosferos rodiklis atrodė įspūdingas. Be to, PBN nelaikykite kaip karštai presuotos žaliavos. Sumokėsite per daug ir vis tiek negausite norimos formos.

Kita klaida – BN keramikos naudojimas vien dėl to, kad kažkas paminėjo “aukštos temperatūros keramiką”. Aliuminis, silicio nitridas ir silicio karbidas kiekvienas yra pranašesnis savo srityje. BN pasirodo geriausiai, kai reikalinga izoliacija ir šilumos paskirstymas, atsparumas drėgmei arba detalė, kurią po presavimo galima apdirbti.

Kaip parengti specifikaciją, kad detalė iš tikrųjų veiktų

Pirmiausia nurodykite formą: milteliai, danga, karšto presavimo, kompozitas arba PBN. Tada nurodykite atmosferą, maksimalią temperatūrą ir cheminę sudėtį. Jei naudojamas išlydytas metalas, nurodykite, koks tai metalas. Jei naudojamas vakuumas, paklauskite apie rišiklio kiekį ir dujų išsiskyrimą. Jei detalė apdirbama iš ruošinio, paklauskite apie presavimo kryptį. Jei tai dangos, paklauskite apie rišiklio sistemą, plėvelės storį ir pakartotinio dengimo intervalą.

Boro nitridas nėra stebuklingi milteliai ir negali pakeisti visų ugniai atsparių medžiagų. Tai medžiaga, kurią pasirenkate, kai grafitas yra pernelyg nešvarus arba pernelyg laidus, o įprasta oksidinė keramika sudrėksta, prilimpa arba jos neįmanoma laiku apdirbti. Pasirinkite tinkamą rūšį, ir viskas atrodys beveik pernelyg paprasta. Jei pasirinksite netinkamą, prisieksite, kad techninių duomenų lape buvo melas. Tikriausiai ten nebuvo melo. Tiesiog šiam taikymui reikėjo tinkamesnio pasirinkimo.