Grafite Branca, Feita da Melhor Forma: Um Guia Prático sobre o Nitreto de Boro

As pessoas chamam ao nitreto de boro hexagonal “grafite branca”, e essa designação é simultaneamente útil e um pouco perigosa. Útil, porque o cristal em camadas tem realmente o aspeto e o toque da grafite. Perigosa, porque a grafite conduz eletricidade e pode contaminar uma fusão. O nitreto de boro não faz nenhuma dessas coisas. Já vi fábricas a tentarem tratar os dois como se fossem intercambiáveis e, depois, a passarem uma semana a explicar a acumulação de carbono, aquecedores em curto-circuito ou um revestimento que desapareceu ao ar livre. Se trabalha com altas temperaturas, metal fundido ou componentes eletrónicos que não podem entrar em curto-circuito, o BN é único na sua classe.

A forma mais importante na indústria é o nitreto de boro hexagonal, h-BN. O nitreto de boro cúbico também existe — é o seu “primo” superduro utilizado em ferramentas de corte — mas trata-se de um produto diferente, com uma função diferente. Quando um desenho técnico indica «cerâmica BN», isso significa quase sempre material hexagonal: pó, revestimento, peça moldada por prensagem a quente ou peça pirolítica.

O que o torna estranho — no bom sentido

O h-BN é um dos poucos materiais que conduz bem o calor e, ao mesmo tempo, atua como isolante elétrico. A resistividade volumétrica é normalmente superior a 10¹⁴ ohm-cm. A constante dielétrica situa-se em torno de 4. É essa combinação que explica a sua utilização em dissipadores de calor, isolantes de alta temperatura e cargas poliméricas para materiais de interface térmica. A grafite consegue dissipar o calor. O cobre consegue dissipar o calor. Nenhum destes materiais mantém o circuito isolado.

Além disso, não é molhável por uma longa lista de metais fundidos e escórias. O alumínio, o zinco, o cobre, muitos tipos de vidro e grande parte dos metais fundidos semicondutores não aderem a ele. Se a isso acrescentarmos a inércia química, obtemos cadinhos, anéis de separação, barreiras laterais, bicos e revestimentos antiaderentes que se mantêm mais limpos do que a grafite ou as cerâmicas de óxido.

Depois, há uma característica de produção que as pessoas subestimam: a usinabilidade. O BN prensado a quente pode ser torneado, fresado e perfurado com ferramentas convencionais. É possível cortar um protótipo de dispositivo de fixação numa tarde, em vez de ter de esperar pela retificação com diamante. A densidade é baixa, normalmente entre 1,8 e 2,1 g/cm³ para os tipos prensados a quente, pelo que as peças são leves. A resistência ao choque térmico é excelente, uma vez que a estrutura pode deslizar ligeiramente e a expansão é modesta nas direções úteis.

A resistência à temperatura depende da atmosfera. No ar, a oxidação começa a ter impacto por volta dos 900–1000 °C. Em nitrogénio, árgon ou vácuo, os tipos sem ligante podem atingir temperaturas muito mais elevadas — bem acima dos 1800 °C em muitos trabalhos em fornos e de fusão, sendo o BN pirolítico utilizado rotineiramente em trabalhos exigentes a vácuo.

As notas não são intercambiáveis

É aqui que as fichas técnicas dos sites podem causar problemas às pessoas.

O BN prensado a quente é o material sólido mais comum. O pó é prensado a alta temperatura para formar lingotes, que são depois maquinados. Algumas classes utilizam um aglutinante à base de óxido de boro ou borato de cálcio. Estas são mais fáceis de densificar e mais baratas, mas a humidade e certas substâncias químicas atacam o aglutinante. As classes sem aglutinante ou ligadas por difusão são mais caras e lidam melhor com fundidos sensíveis à pureza. As propriedades são também anisotrópicas: a condutividade térmica e a resistência podem diferir na direção paralela e perpendicular à direção de prensagem. Se ignorar a orientação, uma peça “boa” pode ainda assim rachar ou aquecer excessivamente no eixo errado.

O BN pirolítico, ou PBN, é um caso à parte. É produzido por deposição química de vapor, não por prensagem. A pureza pode ultrapassar os 99,99%. A densidade aproxima-se do valor teórico. A desgaseificação é extremamente baixa. A condutividade térmica no plano pode atingir 150–220 W/m·K, enquanto a condutividade transversal à espessura desce para alguns watts. Essa anisotropia é uma característica importante em barcos, revestimentos e equipamento MBE. Não é uma característica desejável se for necessário um bloco espesso, barato e de fácil usinagem. O PBN destina-se a trabalhos de alta pureza, com paredes finas e em que o vácuo é fundamental.

Os pós e os revestimentos realizam grande parte do trabalho silencioso. Os revestimentos de BN em matrizes, moldes, canais de fundição e dispositivos de soldadura impedem que o metal adira. Nos plásticos e nas almofadas térmicas, o BN em forma de plaquetas aumenta a condutividade sem transformar o composto num condutor. Existem tipos compostos — BN com carboneto de silício ou outras cerâmicas — para quando é necessária uma resistência ao desgaste superior à que o BN puro pode oferecer. Os materiais do tipo ZSBN são o exemplo mais comum: continuam a ser lubrificantes e termicamente úteis, mas são mais resistentes no contacto deslizante.

Onde dá frutos

O processamento de metais e vidro é a aplicação mais óbvia. Cadinhos, calhas, peças de fundição, proteção de termopares e revestimentos antiaderentes dependem todos da superfície não molhável. Os trabalhos com semicondutores e a vácuo utilizam barquinhas de PBN, suportes de aquecimento e componentes de câmara, uma vez que a contaminação por carbono é inaceitável e o isolamento continua a ser importante a altas temperaturas. Os fabricantes de fornos preferem gabaritos, dispositivos de fixação e isoladores em BN, uma vez que estas peças são fáceis de maquinar e resistem aos ciclos de trabalho. A indústria eletrónica utiliza o BN como material de enchimento quando uma caixa ou almofada precisa de dissipar calor e manter as propriedades dielétricas.

Já vi uma simples alteração no revestimento ter um impacto maior do que a atualização do material. Uma matriz de grafite que riscava a cada disparo pode tornar-se uma ferramenta de produção com uma camada de libertação BN de qualidade. Um acessório metálico que se soldava ao alumínio pode durar um turno, em vez de uma hora. Isto não é teoria. É por isso que as equipas de manutenção se lembram deste material.

Em que aspetos te irá desiludir

A cerâmica de nitreto de boro não é uma cerâmica resistente ao desgaste, no sentido da alumina ou do carboneto de silício. É relativamente macia. Se a aplicação envolver abrasão por pasta ou contacto deslizante intenso, utilize um compósito ou opte por outro material. Os tipos com ligante podem hidratar-se. Se deixar uma peça ligada com B₂O₃ num armazém húmido, poderá ocorrer pulverização ou perda de resistência. A oxidação ao ar é uma realidade; não especifique BN para exposições prolongadas à chama aberta apenas porque os valores relativos à atmosfera inerte pareciam impressionantes. E não trate o PBN como material prensado a quente. Acabará por pagar a mais e, mesmo assim, não obterá a forma que pretendia.

O outro erro é utilizar cerâmica de BN só porque alguém disse “cerâmica para altas temperaturas”. A alumina, o nitreto de silício e o carboneto de silício destacam-se cada um na sua área específica. O BN é a escolha certa quando se necessita de isolamento e, ao mesmo tempo, de dissipação de calor, de propriedades anti-molhamento ou de uma peça que possa ser maquinada após a prensagem.

Como definir as especificações para que a peça funcione de facto

Indique primeiro a forma: pó, revestimento, prensado a quente, compósito ou PBN. Em seguida, indique a atmosfera, a temperatura máxima e a composição química. Se estiver envolvido metal fundido, indique de que metal se trata. Se estiver envolvido vácuo, pergunte sobre o teor de ligante e a desgaseificação. Se a peça for maquinada a partir de um lingote, pergunte sobre a direção de prensagem. Se se tratar de um revestimento, pergunte sobre o sistema de ligante, a espessura da película e o intervalo entre revestimentos.

O nitreto de boro não é um pó milagroso nem um substituto para todos os refratários. É o material a que se recorre quando a grafite está demasiado suja ou é demasiado condutora, e quando uma cerâmica de óxido convencional fica encharcada, adere ou não pode ser maquinada a tempo. Se se escolher o tipo certo, parece quase fácil demais. Se escolher mal, vai jurar que a ficha técnica mentiu. Provavelmente, a ficha técnica não mentiu. A aplicação apenas precisava de uma combinação mais adequada.