Hvit grafitt, på riktig måte: En praktisk veiledning til bornitrid

Folk kaller sekskantet bornitrid for “hvit grafitt”, og dette kallenavnet er både nyttig og litt farlig. Nyttig, fordi det lagdelte krystallet virkelig ser ut og føles som grafitt. Farlig, fordi grafitt leder strøm og kan forurense en smelte. Bornitrid gjør verken det ene eller det andre. Jeg har sett fabrikker som har prøvd å behandle de to som utskiftbare, for så å bruke en uke på å forklare karbonavleiringer, kortsluttede varmeelementer eller et belegg som forsvant i luften. Hvis du arbeider med høye temperaturer, smeltet metall eller elektronikk som ikke tåler kortslutning, er BN i en klasse for seg selv.

Den formen som er viktigst i industrien, er sekskantet bornitrid, h-BN. Det finnes også kubisk bornitrid – det er den superharde varianten som brukes i skjæreverktøy – men det er et annet produkt med en annen funksjon. Når det står “BN-keramikk” på en tegning, betyr det nesten alltid heksagonalt materiale: pulver, belegg, varmpresset form eller pyrolytisk del.

Det som gjør det merkelig – på en positiv måte

h-BN er et av de få materialene som leder varme godt og samtidig fungerer som en elektrisk isolator. Volumresistiviteten ligger vanligvis over 10¹⁴ ohm·cm. Dielektrisitetskonstanten ligger rundt 4. Denne kombinasjonen er grunnen til at det brukes i kjøleribber, høytemperaturisolatorer og polymerfyllstoffer for termiske grensesnittmaterialer. Grafitt kan spre varme. Kobber kan spre varme. Ingen av disse vil holde kretsen din isolert.

Det er også ikke-fuktbart overfor en lang rekke smeltede metaller og slagg. Aluminium, sink, kobber, mange glassarter og en rekke halvledersmelt vil ikke feste seg til det. Legg til kjemisk inertitet, og du får smeltedigler, bryteringer, sidevegger, dyser og slipbelegg som holder seg renere enn grafitt eller oksidkeramikk.

Så er det en egenskap ved materialet som ofte undervurderes: bearbeidbarheten. Varmpresset BN kan dreies, freses og bores med vanlige verktøy. Du kan frese en prototyp på en ettermiddag i stedet for å vente på diamantsliping. Tettheten er lav, vanligvis rundt 1,8–2,1 g/cm³ for varmpressede kvaliteter, så delene er lette. Motstanden mot termisk sjokk er utmerket fordi strukturen kan glide litt, og utvidelsen er moderat i de relevante retningene.

Temperaturtoleransen avhenger av atmosfæren. I luft begynner oksidasjonen å få betydning ved rundt 900–1000 °C. I nitrogen, argon eller vakuum kan bindemiddelfrie kvaliteter tåle mye høyere temperaturer – godt over 1800 °C i mange ovns- og smelteprosesser, og pyrolytisk BN brukes rutinemessig i krevende vakuumarbeid.

Karakterene kan ikke byttes ut med hverandre

Det er her at databladene på nettstedet skaper problemer for folk.

Varmpresset BN er det vanligste materialet. Pulveret presses ved høy temperatur til emner, som deretter bearbeides. Noen kvaliteter bruker et bindemiddel av boroksid eller kalsiumborat. Disse er enklere å komprimere og billigere, men fuktighet og visse kjemiske stoffer vil angripe bindemidlet. Bindemiddelfrie eller diffusjonsbundne kvaliteter koster mer og takler smelter som er følsomme for urenheter bedre. Egenskapene er også anisotrope: varmeledningsevne og styrke kan variere parallelt og vinkelrett på presseretningen. Hvis man ser bort fra orienteringen, kan en “god” del likevel sprekke eller bli overopphetet langs feil akse.

Pyrolytisk BN, eller PBN, er noe helt annet. Det fremstilles ved kjemisk dampavsetning, ikke ved pressing. Renheten kan overstige 99,99%. Tettheten ligger nær den teoretiske verdien. Utgassingen er ekstremt lav. Varmeledningsevnen i planet kan nå 150–220 W/m·K, mens varmeledningsevnen gjennom tykkelsen synker til et par watt. Denne anisotropien er en fordel i båter, foringer og MBE-utstyr. Det er derimot ikke en fordel hvis man trenger en tykk, billig og lettbearbeidbar blokk. PBN er beregnet på arbeid som krever høy renhet, tynne vegger og vakuumkritiske forhold.

Pulver og belegg utfører mye av det usynlige arbeidet. BN-belegg på matriser, støpeformer, rennekanaler og sveisefester hindrer at metall setter seg fast. I plast og termiske underlag øker platelignende BN ledningsevnen uten å gjøre blandingen til en leder. Komposittkvaliteter – BN med silisiumkarbid eller andre keramiske materialer – brukes når man trenger større slitestyrke enn det rent BN kan gi. Materialer av typen ZSBN er det vanligste eksemplet: de er fortsatt smørende og termisk nyttige, men har større slitestyrke ved glidekontakt.

Der den tjener inn pengene sine

Metall- og glassbearbeiding er det naturlige anvendelsesområdet. Smeltedigler, kar, støpedeler, beskyttelse av termoelementer og slipbelegg er alle avhengige av den ikke-fuktende overflaten. I halvleder- og vakuumindustrien brukes PBN-båter, varmeelementstøtter og kammerutstyr, fordi karbonforurensning er uakseptabelt og isolasjon fortsatt er viktig ved høye temperaturer. Ovnprodusenter foretrekker BN-jigger, innstillingsanordninger og isolatorer fordi delene er enkle å bearbeide og tåler gjentatte oppvarmings- og avkjølingssykluser. I elektronikkbransjen brukes BN som fyllmateriale når et hus eller en kontaktflate må avgi varme og samtidig forbli dielektrisk.

Jeg har sett at en enkel endring av belegget har gitt større effekt enn en oppgradering av materialet. En grafittmatrise som fikk riper ved hvert skudd, kan bli et produksjonsverktøy med et godt BN-slippbelegg. En metallfeste som sveiste seg fast til aluminium, kan holde i et skift i stedet for bare en time. Dette er ikke bare teori. Det er derfor vedlikeholdspersonalet husker dette materialet.

Hvor det vil skuffe deg

Boronitridkeramikk er ikke en slitasjekeramikk i samme forstand som aluminiumoksid eller silisiumkarbid. Den er relativt myk. Hvis oppgaven innebærer slitasje fra slam eller hard glidekontakt, bør du bruke et komposittmateriale eller velge et annet materiale. Bindemiddelkvaliteter kan hydratisere. Hvis du lar en B₂O₃-bundet del ligge i et fuktig lagerrom, kan det oppstå pulverisering eller tap av styrke. Luftoksidasjon er en reell fare; spesifiser ikke BN for langvarig oppbevaring i åpen flamme bare fordi tallene for inerte atmosfærer så imponerende ut. Og behandle ikke PBN som varmpresset materiale. Du vil betale for mye og likevel ikke få den formen du ønsket.

Den andre feilen er å bruke BN-keramikk fordi noen sa “høytemperaturkeramikk”. Aluminiumoksid, silisiumnitrid og silisiumkarbid utmerker seg hver på sitt område. BN er det beste valget når man trenger både isolasjon og varmespredning, ikke-fuktende egenskaper eller en komponent som kan bearbeides etter pressing.

Hvordan utforme spesifikasjonene slik at delen faktisk fungerer

Oppgi først materialformen: pulver, belegg, varmpresset, kompositt eller PBN. Oppgi deretter atmosfæren, topptemperaturen og kjemiske egenskaper. Hvis det er snakk om smeltet metall, oppgi hvilket metall. Hvis det er snakk om vakuum, spør om bindemiddelinnhold og avgassing. Hvis delen er maskinert fra en bilett, spør om presseretningen. Hvis det er et belegg, spør om bindemiddelsystem, filmtykkelse og intervall mellom påføringer.

Bornitrid er ikke noe «mirakelpulver», og det er ikke en erstatning for alle ildfaste materialer. Det er materialet man tyr til når grafitt er for skittent eller for ledende, og når en vanlig oksidkeramikk blir fuktig, klistrer seg fast eller ikke kan bearbeides i tide. Velger man riktig kvalitet, virker det nesten for enkelt. Velger du feil, vil du sverge på at databladet løy. Databladet løy sannsynligvis ikke. Bruken trengte bare en mer passende løsning.