Diferencias en el rendimiento entre el nitruro de boro pirolítico y el nitruro de boro prensado en caliente
Nitruro de boroes un material cerámico avanzado muy conocido con seis fases cristalinas, siendo las más comunes el nitruro de boro cúbico (c-BN) y el nitruro de boro hexagonal (h-BN). Entre estos, el c-BN, similar al diamante, se usa principalmente para herramientas de corte, mientras que el h-BN, también conocido como grafito blanco debido a su estructura en capas y parámetros de red que se asemejan al grafito, posee excelentes propiedades de conductividad térmica y aislamiento, lo que lo convierte en el fase cristalina más valorada.
Sin embargo, incluso dentro del sistema de cristal hexagonal del nitruro de boro, existen distintas variaciones basadas en diferentes técnicas de preparación. Una es la cerámica de nitruro de boro producida a través de procesos de sinterización a alta temperatura, como la sinterización sin presión, la sinterización por prensado en caliente y la sinterización por prensado isostático en caliente. La sinterización por prensado en caliente generalmente se considera un método de sinterización ideal, que produce cerámicas con alta densidad, resistencia y procesos de producción maduros, por lo que encuentra aplicaciones generalizadas. La otra variación es el nitruro de boro pirolítico (PBN), preparado mediante técnicas de deposición química de vapor (CVD). Comparemos estos dos centrándonos en el nitruro de boro prensado en caliente y el nitruro de boro pirolítico.
1.Nitruro de boro prensado en caliente
Nitruro de boro prensado en calientees un material cerámico fabricado con tecnología de sinterización por prensado en caliente. El proceso de preparación específico consiste en colocar el polvo seco en moldes de grafito especialmente diseñados. Luego, los moldes se someten a presión uniaxial o biaxial mientras se calientan dentro de un cierto rango de temperatura para facilitar tanto la conformación como la sinterización. Este calentamiento y presurización simultáneos interrumpen la estructura en capas de h-BN, lo que promueve la reorganización del grano y reduce efectivamente la temperatura y el tiempo de sinterización.
El nitruro de boro prensado en caliente es un excelente aislante eléctrico con una excelente lubricidad y estabilidad a altas temperaturas. Mantiene sus propiedades lubricantes e inertes incluso a temperaturas extremadamente altas. Si bien su resistencia mecánica es relativamente menor, cuenta con una alta capacidad calorífica, excelente conductividad térmica, excepcional resistencia dieléctrica y facilidad de procesamiento. En atmósferas inertes, el nitruro de boro puede soportar temperaturas superiores a los 2000 °C, lo que lo convierte en un material ideal para el aislamiento térmico a altas temperaturas.
Además, el nitruro de boro prensado en caliente exhibe características anisotrópicas. Cuando la disposición atómica es perpendicular a la dirección de la presión, se forman enlaces fuertes, lo que da como resultado propiedades superiores de resistencia, térmicas y eléctricas. Por el contrario, la alineación atómica paralela a la dirección de la presión forma enlaces débiles, lo que conduce a una excelente lubricidad. Aprovechando estas propiedades y su estabilidad química, las cerámicas de nitruro de boro se utilizan para diversas aplicaciones, como crisoles para fundir metales evaporados, botes, tubos de transferencia de metal líquido, crisoles para sintetizar cristales de GaAs, toberas de cohetes, sustratos de dispositivos de alta potencia, tuberías de metal fundido, componentes de bombas, moldes de acero fundido y materiales de aislamiento.
2. Nitruro de boro pirolítico (PBN)
El proceso de preparación de PBN difiere significativamente del de nitruro de boro prensado en caliente. La PBN se produce utilizando tecnología de deposición química de vapor (CVD) en condiciones de alta temperatura y alto vacío. Implica la deposición química de vapor de amoníaco y haluros de boro para formar materiales PBN, que pueden depositarse como placas delgadas o directamente como productos finales, como tubos, anillos o recipientes de paredes delgadas.
La PBN preparada a través de reacciones pirolíticas a alta temperatura cuenta con alta pureza, alta conductividad térmica, resistencia mecánica, buen aislamiento eléctrico, inercia química, excelente estructura y rendimiento. Esto lo convierte en un contenedor ideal para la purificación de elementos, el crecimiento de cristales semiconductores compuestos y compuestos. PBN tiene varias aplicaciones que incluyenevaporación OLEDunidades, crisoles de crecimiento de cristal único semiconductor (VGF, LEC), crisoles de evaporación de epitaxia de haz molecular (MBE), calentadores MOCVD, barcos de síntesis policristalina, tableros de aislamiento de equipos de alta temperatura y alto vacío, y más. Sin embargo, la PBN es más costosa debido a las lentas tasas de depósito, lo que hace que los productos de PBN sean relativamente costosos.
Aunque ambas variantes de nitruro de boro hexagonal comparten aplicaciones comunes, como crisoles de evaporación, crisoles de fusión y placas de aislamiento, sus diferencias de rendimiento siguen generando distinciones en el uso real. Por ejemplo, los productos PBN suelen tener un total de impurezas de menos de 100 ppm, lo que garantiza una pureza superior al 99,99 %. Esta alta pureza hace que los crisoles de PBN sean los más favorecidos por la industria de los semiconductores y adecuados para aplicaciones tales como unidades de evaporación OLED y crisoles de crecimiento monocristalino de semiconductores (VGF, LEC). La alta densidad y pureza de PBN también hacen que se use ampliamente en procesos de vacío, incluidos los tableros de aislamiento de equipos de alta temperatura y alto vacío.
Vale la pena señalar que los procesos de CVD imparten estructuras en capas casi perfectas a la PBN, lo que da como resultado una conductividad térmica anisotrópica con una diferencia de aproximadamente 20 veces entre la dirección de deposición (eje a) y la perpendicular al plano de deposición (eje C). Esta propiedad hace que PBN sea un material ideal para crisoles de crecimiento de cristales, como en el campo del crecimiento de cristales de GaAs.
Sin embargo, las consideraciones de costo también entran en juego para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, en aplicaciones de fusión de metales, aunque los crisoles de PBN tienen una alta densidad y no tienen poros, lo que dificulta que el metal fundido penetre en las paredes del crisol, son caros. Por lo tanto, aunque el uso de crisoles de PBN podría dar mejores resultados, la producción industrial no siempre podría justificar el lujo debido al alto costo.
Además,nitruro de boro prensado en calientetambién tiene sus ventajas. Es más fácil de procesar y moldear de acuerdo con los requisitos, lo que lo hace más rentable para componentes comopiezas de aislamiento de hornos de alta temperatura,tubos de protección de termopar,crisoles o moldes para fundir metals, boquillas de cinta amorfa y polvo metálicoboquillas de atomizaciónparaaplicaciones de alta temperatura. Además, los avances recientes en el proceso de producción de cerámicas de nitruro de boro prensadas en caliente han permitido que algunas de ellas reemplacen al PBN, aunque con el requisito previo crucial de controlar el contenido de impurezas, especialmente el contenido de oxígeno, silicio y aluminio en el material en polvo. En conclusión, el nitruro de boro pirolítico y el nitruro de boro prensado en caliente tienen sus propias ventajas, y la elección debe basarse en los requisitos específicos de las aplicaciones.
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