Vit grafit, på rätt sätt: En praktisk guide till bornitrid

Man kallar hexagonalt bornitrid för “vit grafit”, och det smeknamnet är både användbart och lite farligt. Användbart, eftersom den skiktade kristallen verkligen ser ut och känns som grafit. Farligt, eftersom grafit leder elektricitet och kan förorena en smälta. Bornitrid gör varken det ena eller det andra. Jag har sett fabriker försöka behandla de två som utbytbara och sedan ägna en vecka åt att förklara kolupptagning, kortslutna värmeelement eller en beläggning som försvann i luften. Om du arbetar med höga temperaturer, smält metall eller elektronik som inte får kortslutas, är BN i en klass för sig.

Den form som är viktigast inom industrin är hexagonalt bornitrid, h-BN. Kubiskt bornitrid finns också – det är den superhårda varianten som används i skärverktyg – men det är en annan produkt med en annan funktion. När det i en ritning står “BN-keramik” avses nästan alltid hexagonalt material: pulver, beläggning, varmpressad form eller pyrolytisk komponent.

Vad som gör det märkligt – på ett positivt sätt

h-BN är ett av få material som leder värme väl och samtidigt fungerar som en elektrisk isolator. Volymresistiviteten ligger vanligtvis över 10¹⁴ ohm-cm. Dielektricitetskonstanten ligger runt 4. Denna kombination är anledningen till att materialet används i kylflänsar, högtemperaturisolatorer och som polymerfyllmedel i termiska gränssnittsmaterial. Grafit kan sprida värme. Koppar kan sprida värme. Inget av dessa material kommer att hålla din krets isolerad.

Det är dessutom icke-våtande för en lång rad smälta metaller och slaggar. Aluminium, zink, koppar, många glasarter och en stor del av halvledarsmältorna fastnar inte på det. Lägg till den kemiska inertheten så får du smältdeglar, brytringar, sidoväggar, munstycken och släppbeläggningar som förblir renare än grafit eller oxidkeramik.

Sedan finns det en egenskap som ofta underskattas i tillverkningen: bearbetbarheten. Varmpressat BN kan svarvas, fräsas och borras med konventionella verktyg. Man kan tillverka en prototypfixtur på en eftermiddag istället för att vänta på diamantslipning. Densiteten är låg, vanligtvis omkring 1,8–2,1 g/cm³ för varmpressade kvaliteter, vilket gör att delarna är lätta. Motståndskraften mot termisk chock är utmärkt eftersom strukturen kan glida något och utvidgningen är måttlig i de relevanta riktningarna.

Temperaturtåligheten beror på omgivningsatmosfären. I luft börjar oxidation bli ett problem vid cirka 900–1000 °C. I kväve, argon eller vakuum kan bindemedelsfria kvaliteter tåla betydligt högre temperaturer — långt över 1800 °C i många ugns- och smältningsprocesser, och pyrolytiskt BN används rutinmässigt vid krävande vakuumarbeten.

Betyg är inte utbytbara

Det är här som datablad på webbplatser kan ställa till problem för folk.

Varmpressat BN är det vanligaste materialet. Pulver pressas vid hög temperatur till ämnen, som sedan bearbetas. Vissa kvaliteter använder ett bindemedel av boroxid eller kalciumborat. Dessa är lättare att förtäta och billigare, men fukt och vissa kemikalier angriper bindemedlet. Bindemedelsfria eller diffusionsbundna kvaliteter kostar mer och klarar smältor som är känsliga för orenheter bättre. Egenskaperna är dessutom anisotropa: värmeledningsförmåga och hållfasthet kan skilja sig åt parallellt och vinkelrätt mot pressriktningen. Om man bortser från orienteringen kan en “bra” komponent ändå spricka eller bli överhettad i fel axelriktning.

Pyrolytisk BN, eller PBN, är något helt annat. Det framställs genom kemisk ångdeposition, inte genom pressning. Renheten kan överstiga 99,99%. Densiteten ligger nära det teoretiska värdet. Avgasningen är extremt låg. Värmeledningsförmågan i planet kan nå 150–220 W/m·K, medan ledningsförmågan genom tjockleken sjunker till ett par watt. Denna anisotropi är en fördel i båtar, foder och MBE-hårdvara. Det är däremot ingen fördel om man behöver ett tjockt, billigt och lättbearbetat block. PBN är avsett för arbeten som kräver hög renhet, tunna väggar och där vakuum är avgörande.

Pulver och beläggningar utför en stor del av det osynliga arbetet. BN-beläggningar på pressverktyg, gjutformar, gjutkanaler och svetsfixturer förhindrar att metallen fastnar. I plaster och värmeledande underlägg ökar plattformigt BN ledningsförmågan utan att förvandla blandningen till en ledare. Kompositkvaliteter – BN med kiselkarbid eller andra keramer – används när man behöver högre slitstyrka än vad rent BN kan erbjuda. Material av ZSBN-typ är det vanligaste exemplet: de är fortfarande smörjande och värmeledande, men tåligare vid glidkontakt.

Där det tjänar in sina pengar

Metall- och glasbearbetning är den självklara tillämpningen. Smältdeglar, rännor, gjutdelar, skydd för termoelement och släppbeläggningar utnyttjar alla den icke-vätande ytan. Inom halvledar- och vakuumindustrin används PBN-båtar, värmestöd och kammarutrustning eftersom kolföroreningar är oacceptabla och isolering fortfarande är viktig vid höga temperaturer. Ugnstillverkare uppskattar BN-jiggar, inställningsanordningar och isolatorer eftersom delarna är lätta att bearbeta och tål temperaturväxlingar. Inom elektronikbranschen används BN som fyllnadsmaterial när ett hölje eller en kylplatta måste avleda värme och samtidigt förbli dielektriskt.

Jag har sett hur en enkel förändring av ytbeläggningen har gett bättre resultat än en materialuppgradering. En grafitform som fick repor vid varje pressning kan bli ett produktionsverktyg med ett bra BN-släppskikt. En metallfixtur som svetsade fast sig i aluminium kan hålla i ett skift istället för en timme. Det är ingen teori. Det är därför underhållspersonalen minns det här materialet.

Där det kommer att göra dig besviken

Bor-nitridkeramik är inte en slitstark keramik i samma bemärkelse som aluminiumoxid eller kiselkarbid. Den är relativt mjuk. Om tillämpningen innebär slitage från slurry eller hård glidkontakt bör man använda en komposit eller välja ett annat material. Bindemedelsvarianter kan hydratisera. Lämnar du en B₂O₃-bunden del i ett fuktigt förråd kan det leda till pulverisering eller hållfasthetsförlust. Luftoxidation är ett reellt problem; specificera inte BN för långvarig exponering för öppen låga bara för att värdena för inert atmosfär såg imponerande ut. Och behandla inte PBN som varmpressat material. Du kommer att betala för mycket och ändå inte få den form du ville ha.

Ett annat misstag är att använda BN-keramik bara för att någon nämnde “högtemperaturkeramik”. Aluminiumoxid, kiselnitrid och kiselkarbid utmärker sig var och en inom sina respektive områden. BN är det bästa valet när man behöver både värmeisolering och värmespridning, icke-våtande egenskaper eller en komponent som går att bearbeta efter pressning.

Hur man specificerar den så att delen verkligen fungerar

Ange först formen: pulver, beläggning, varmpressad, komposit eller PBN. Ange sedan atmosfären, topptemperaturen och kemiska sammansättningen. Om smält metall ingår, ange vilken metall. Om vakuum ingår, fråga om bindemedelsinnehåll och utgasning. Om delen bearbetas från en ämnesblock, fråga om pressriktningen. Om det är en beläggning, fråga om bindemedelssystem, filmtjocklek och intervall mellan beläggningar.

Bornitrid är inget mirakelpulver och det är inte en ersättning för alla eldfasta material. Det är det material man väljer när grafit är för smutsigt eller för ledande, och när en konventionell oxidkeramik blir fuktig, fastnar eller inte går att bearbeta i tid. Väljer man rätt kvalitet verkar det nästan för enkelt. Väljer du fel kommer du att svära på att databladet ljög. Det gjorde det troligen inte. Tillämpningen behövde bara en mer passande lösning.