Wit grafiet, goed gedaan: een praktische gids over boornitride

Hexagonaal boornitride wordt ook wel “wit grafiet” genoemd, en die bijnaam is zowel nuttig als een beetje gevaarlijk. Nuttig, omdat het gelaagde kristal er inderdaad uitziet en aanvoelt als grafiet. Gevaarlijk, omdat grafiet elektriciteit geleidt en een smelt kan verontreinigen. Boornitride doet geen van beide. Ik heb gezien hoe fabrieken probeerden de twee als onderling uitwisselbaar te behandelen, om vervolgens een week lang uitleg te moeten geven over koolstofafzetting, kortsluiting in verwarmingselementen of een coating die in de lucht verdween. Als je werkt met hoge temperaturen, gesmolten metaal of elektronica die niet mag kortsluiten, is BN een klasse apart.

De vorm die in de industrie het belangrijkst is, is hexagonaal boornitride, h-BN. Er bestaat ook kubisch boornitride — dat is de superharde variant die in snijgereedschap wordt gebruikt — maar dat is een ander product met een andere toepassing. Als er in een tekening “BN-keramiek” staat, wordt bijna altijd hexagonaal materiaal bedoeld: poeder, coating, een warmgeperst onderdeel of een pyrolytisch onderdeel.

Wat het zo vreemd maakt — op een positieve manier

h-BN is een van de weinige materialen die warmte goed geleidt en tegelijkertijd als elektrische isolator fungeert. De volumeweerstand ligt doorgaans boven de 10¹⁴ ohm-cm. De diëlektrische constante ligt rond de 4. Dankzij die combinatie wordt het materiaal gebruikt in koellichamen, isolatiematerialen voor hoge temperaturen en polymeervullers voor thermische interfacematerialen. Grafiet kan warmte verspreiden. Koper kan warmte verspreiden. Geen van beide houdt je circuit geïsoleerd.

Het is bovendien niet-bevochtigend voor een lange reeks gesmolten metalen en slakken. Aluminium, zink, koper, veel soorten glas en talrijke halfgeleidersmeltingen hechten er niet aan. Voeg daar de chemische inertie aan toe en je krijgt smeltkroezen, breekringen, zijwanden, spuitmonden en lossingscoatings die schoner blijven dan grafiet of oxidekeramiek.

Dan is er nog een eigenschap van het materiaal die vaak wordt onderschat: de bewerkbaarheid. Warmgeperst BN kan met gangbare gereedschappen worden gedraaid, gefreesd en geboord. Je kunt in een middag een prototype-opspanning maken in plaats van te wachten op diamantslijpen. De dichtheid is laag, meestal rond de 1,8–2,1 g/cm³ voor warmgeperste kwaliteiten, waardoor de onderdelen licht zijn. De weerstand tegen thermische schokken is uitstekend omdat de structuur enigszins kan verschuiven en de uitzetting in de relevante richtingen beperkt is.

Het temperatuurbereik hangt af van de atmosfeer. In lucht begint oxidatie een rol te spelen bij ongeveer 900–1000 °C. In stikstof, argon of vacuüm kunnen bindmiddelvrije kwaliteiten veel hogere temperaturen aan — ruim boven de 1800 °C bij veel oven- en smelttoepassingen, en pyrolytisch BN wordt routinematig gebruikt bij veeleisende vacuümtoepassingen.

Cijfers zijn niet onderling uitwisselbaar

Dit is waar datasheets van websites mensen in de problemen brengen.

Warmgeperst BN is het gangbare vaste materiaal. Poeder wordt bij hoge temperatuur tot staafjes geperst en vervolgens machinaal bewerkt. Bij sommige kwaliteiten wordt een bindmiddel op basis van booroxide of calciumbooraat gebruikt. Deze zijn gemakkelijker te verdichten en goedkoper, maar vocht en bepaalde chemische stoffen tasten het bindmiddel aan. Bindmiddelvrije of diffusiegebonden kwaliteiten zijn duurder en zijn beter geschikt voor smeltmaterialen waarbij zuiverheid van belang is. De eigenschappen zijn bovendien anisotroop: de thermische geleidbaarheid en sterkte kunnen verschillen parallel en loodrecht op de persrichting. Als u geen rekening houdt met de oriëntatie, kan een “goed” onderdeel toch barsten of oververhit raken in de verkeerde as.

Pyrolytisch BN, of PBN, is van een heel andere orde. Het wordt vervaardigd door middel van chemische dampafzetting, en niet door persen. De zuiverheid kan hoger zijn dan 99,99%. De dichtheid ligt dicht bij de theoretische waarde. De uitgassing is uiterst laag. De thermische geleidbaarheid in het vlak kan 150–220 W/m·K bereiken, terwijl de geleidbaarheid door de dikte heen daalt tot een paar watt. Die anisotropie is een voordeel bij boten, voeringen en MBE-hardware. Het is geen voordeel als je een dik, goedkoop en gemakkelijk te bewerken blok nodig hebt. PBN is bedoeld voor toepassingen die een hoge zuiverheid, dunne wanden en vacuümkritische omstandigheden vereisen.

Poeders en coatings verrichten veel van het onopvallende werk. BN-coatings op matrijzen, gietvormen, gietkanalen en lasopstellingen voorkomen dat metaal blijft kleven. In kunststoffen en thermische kussentjes verhoogt plaatvormig BN de geleidbaarheid zonder dat het mengsel zelf geleidend wordt. Composietkwaliteiten — BN met siliciumcarbide of andere keramische materialen — worden gebruikt wanneer er meer slijtvastheid nodig is dan puur BN kan bieden. Materialen van het type ZSBN zijn hiervan een bekend voorbeeld: ze zijn nog steeds smerend en thermisch bruikbaar, maar beter bestand tegen slijtage bij glijdend contact.

Waar het zijn geld verdient

Metaal- en glasverwerking is het voor de hand liggende toepassingsgebied. Smeltkroezen, troggen, gietonderdelen, bescherming voor thermokoppels en lossingscoatings maken allemaal gebruik van het niet-bevochtigende oppervlak. Bij halfgeleider- en vacuümtoepassingen worden PBN-bakjes, verwarmingssteunen en kameronderdelen gebruikt, omdat koolstofverontreiniging onaanvaardbaar is en isolatie ook bij hoge temperaturen van belang blijft. Ovenbouwers geven de voorkeur aan BN-mallen,-positioneerders en-isolatoren omdat de onderdelen gemakkelijk te bewerken zijn en de thermische cycli goed doorstaan. In de elektronica wordt BN als vulmateriaal gebruikt wanneer een behuizing of pad warmte moet afvoeren en diëlektrisch moet blijven.

Ik heb gezien dat een simpele verandering van coating meer effect kan hebben dan een materiaalupgrade. Een grafietmatrijs die bij elke afdruk krassen maakte, kan met een degelijke BN-loslaag een volwaardig productiegereedschap worden. Een metalen bevestigingsstuk dat aan aluminium vastlaste, kan nu een hele dienst meegaan in plaats van slechts een uur. Dat is geen theorie. Daarom onthouden onderhoudsteams dit materiaal zo goed.

Waar het je zal teleurstellen

Boor-nitride-keramiek is geen slijtvaste keramiek in de zin van aluminiumoxide of siliciumcarbide. Het is relatief zacht. Als het gaat om slijtage door slurry of hard glijdend contact, gebruik dan een composiet of kies een ander materiaal. Bindmiddelvarianten kunnen hydrateren. Laat een met B₂O₃ gebonden onderdeel in een vochtige opslagruimte liggen en u kunt poedervorming of sterkteverlies krijgen. Luchtoxidatie is een reëel risico; specificeer BN niet voor langdurige blootstelling aan open vuur, alleen maar omdat een waarde voor een inerte atmosfeer indrukwekkend leek. En behandel PBN niet als warmgeperst materiaal. Je betaalt dan te veel en krijgt toch niet de gewenste vorm.

De andere fout is het gebruik van BN-keramiek omdat iemand het had over “hittebestendige keramiek”. Aluminiumoxide, siliciumnitride en siliciumcarbide blinken elk uit op hun eigen gebied. BN is de beste keuze wanneer je isolatie in combinatie met warmteverspreiding nodig hebt, of wanneer het materiaal niet-bevochtigend moet zijn, of wanneer je een onderdeel na het persen nog moet bewerken.

Hoe moet je de specificaties opstellen zodat het onderdeel ook echt werkt?

Geef eerst de vorm aan: poeder, coating, warmgeperst, composiet of PBN. Geef vervolgens de atmosfeer, de piektemperatuur en de chemische samenstelling aan. Als er gesmolten metaal bij betrokken is, geef dan aan welk metaal. Als er sprake is van vacuüm, vraag dan naar het bindmiddelgehalte en de uitgassing. Als het onderdeel uit een staaf wordt verspaand, vraag dan naar de persrichting. Als het om een coating gaat, vraag dan naar het bindmiddelsysteem, de laagdikte en het interval tussen twee coatings.

Boor-nitride is geen wondermiddel en het is geen vervanging voor elk vuurvast materiaal. Het is het materiaal waar je naar grijpt wanneer grafiet te vervuilend of te geleidend is, en wanneer een conventionele oxidekeramiek nat wordt, blijft plakken of niet op tijd kan worden bewerkt. Kies je de juiste kwaliteit, dan lijkt het bijna te gemakkelijk. Kies je de verkeerde kwaliteit, dan zul je zweren dat het gegevensblad loog. Dat was waarschijnlijk niet het geval. De toepassing had gewoon een eerlijkere keuze nodig.