Diferenças de desempenho entre nitreto de boro pirolítico e nitreto de boro prensado a quente
nitreto de boroé um conhecido material cerâmico avançado com seis fases cristalinas, sendo as mais comuns nitreto de boro cúbico (c-BN) e nitreto de boro hexagonal (h-BN). Entre eles, o c-BN, semelhante ao diamante, é usado principalmente para ferramentas de corte, enquanto o h-BN, também conhecido como grafite branco devido à sua estrutura em camadas e parâmetros de treliça semelhantes ao grafite, possui excelente condutividade térmica e propriedades de isolamento, tornando-o o fase cristalina mais valorizada.
No entanto, mesmo dentro do sistema de cristal hexagonal de nitreto de boro, existem variações distintas com base em diferentes técnicas de preparação. Uma delas é a cerâmica de nitreto de boro produzida por meio de processos de sinterização em alta temperatura, como sinterização sem pressão, sinterização por prensagem a quente e sinterização por prensagem isostática a quente. A sinterização por prensagem a quente é geralmente considerada um método de sinterização ideal, produzindo cerâmicas com alta densidade, resistência e processos de produção maduros, encontrando assim aplicações generalizadas. A outra variação é o nitreto de boro pirolítico (PBN), preparado usando técnicas de deposição química de vapor (CVD). Vamos comparar esses dois focando no nitreto de boro prensado a quente e no nitreto de boro pirolítico.
1.Nitreto de Boro Prensado a Quente
Nitreto de boro prensado a quenteé um material cerâmico feito com tecnologia de sinterização por prensagem a quente. O processo de preparação específico envolve colocar o pó seco em moldes de grafite especialmente projetados. Os moldes são então submetidos a pressão uniaxial ou biaxial enquanto são aquecidos dentro de uma certa faixa de temperatura para facilitar tanto a modelagem quanto a sinterização. Esse aquecimento e pressurização simultâneos interrompem a estrutura em camadas do h-BN, promovendo o rearranjo dos grãos e reduzindo efetivamente a temperatura e o tempo de sinterização.
O nitreto de boro prensado a quente é um excelente isolante elétrico com excelente lubricidade e estabilidade em altas temperaturas. Mantém suas propriedades lubrificantes e inertes mesmo em temperaturas extremamente altas. Embora sua resistência mecânica seja relativamente menor, ele possui alta capacidade térmica, excelente condutividade térmica, rigidez dielétrica excepcional e facilidade de processamento. Sob atmosferas inertes, o nitreto de boro pode suportar temperaturas superiores a 2.000°C, tornando-o um material ideal para isolamento térmico em altas temperaturas.
Além disso, o nitreto de boro prensado a quente exibe características anisotrópicas. Quando o arranjo atômico é perpendicular à direção da pressão, formam-se ligações fortes, resultando em resistência superior, propriedades térmicas e elétricas. Por outro lado, o alinhamento atômico paralelo à direção da pressão forma ligações fracas, levando a uma excelente lubricidade. Aproveitando essas propriedades e sua estabilidade química, a cerâmica de nitreto de boro é usada para várias aplicações, como cadinhos para derreter metais evaporados, barcos, tubos de transferência de metal líquido, cadinhos para sintetizar cristais de GaAs, bicos de foguetes, substratos de dispositivos de alta potência, tubulações de metal fundido, componentes da bomba, moldes de aço fundido e materiais de isolamento.
2. Nitreto de Boro Pirolítico (PBN)
O processo de preparação do PBN difere significativamente daquele do nitreto de boro prensado a quente. O PBN é produzido usando a tecnologia de deposição química de vapor (CVD) sob condições de alta temperatura e alto vácuo. Envolve a deposição química de vapor de amônia e haletos de boro para formar materiais PBN, que podem ser depositados como placas finas ou diretamente como produtos finais, como tubos, anéis ou recipientes de paredes finas.
O PBN preparado por meio de reações pirolíticas de alta temperatura possui alta pureza, alta condutividade térmica, resistência mecânica, bom isolamento elétrico, inércia química, excelente estrutura e desempenho. Isso o torna um recipiente ideal para purificação de elementos, compostos e crescimento de cristais semicondutores compostos. PBN tem várias aplicações, incluindoevaporação OLEDunidades, cadinhos semicondutores de crescimento de cristal único (VGF, LEC), cadinhos de evaporação de epitaxia de feixe molecular (MBE), aquecedores MOCVD, barcos de síntese policristalina, placas de isolamento de equipamentos de alto vácuo e alta temperatura e muito mais. No entanto, o PBN é mais caro devido às baixas taxas de deposição, tornando os produtos PBN relativamente caros.
Embora ambas as variantes hexagonais de nitreto de boro compartilhem aplicações comuns, como cadinhos de evaporação, cadinhos de fusão e placas de isolamento, suas diferenças de desempenho ainda levam a distinções no uso real. Por exemplo, os produtos PBN normalmente têm impurezas totais inferiores a 100 ppm, garantindo pureza acima de 99,99%. Essa alta pureza torna os cadinhos PBN mais preferidos pela indústria de semicondutores e adequados para aplicações como unidades de evaporação OLED e cadinhos semicondutores de crescimento de cristal único (VGF, LEC). A alta densidade e pureza do PBN também o tornam amplamente utilizado em processos de vácuo, incluindo placas de isolamento de equipamentos de alta temperatura e alto vácuo.
Vale a pena notar que os processos CVD conferem estruturas em camadas quase perfeitas ao PBN, resultando em condutividade térmica anisotrópica com uma diferença de aproximadamente 20 vezes entre a direção de deposição (eixo a) e perpendicular ao plano de deposição (eixo C). Esta propriedade torna o PBN um material ideal para cadinhos de crescimento de cristais, como no campo de crescimento de cristais de GaAs.
No entanto, considerações de custo também entram em jogo para certas aplicações. Por exemplo, em aplicações de fusão de metal, embora os cadinhos de PBN tenham alta densidade e não tenham poros, o que dificulta a penetração do metal fundido nas paredes do cadinho, eles são caros. Assim, embora o uso de cadinhos de PBN possa render melhores resultados, a produção industrial nem sempre justifica o luxo devido ao alto custo.
Adicionalmente,nitreto de boro prensado a quentetambém tem suas vantagens. É mais fácil de processar e moldar de acordo com os requisitos, tornando-o mais econômico para componentes comopeças de isolamento de forno de alta temperatura,tubos de proteção termopar,cadinhos ou moldes para fundir metaiss, bicos de fita amorfa e pó de metalbicos de atomizaçãoparaaplicações de alta temperatura. Além disso, avanços recentes no processo de produção de cerâmica de nitreto de boro prensado a quente permitiram que alguns deles substituíssem o PBN, embora com o pré-requisito crucial de controlar o teor de impurezas, especialmente o teor de oxigênio, silício e alumínio no material em pó. Em conclusão, o nitreto de boro pirolítico e o nitreto de boro prensado a quente têm suas próprias vantagens, e a escolha deve ser baseada em requisitos específicos das aplicações.
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