Бора нитрид

α-BN кристаллизируется в гексагональной структуре, аналогичной структуре графита (см. Структурные типы кристаллов). Кристаллическая структура α-BN состоит из графитоподобных сеток, расположенных, в отличие от структуры графита точно одна под другой с чередованием атомов бора и азота по оси Z. Расстояние между сетками в решетке нитрида бора равно 3, 34А, т. е. меньше, чем у графита (3, 40А), что свидетельствует о более прочной связи между сетками в структуре нитрида бора по сравнению с графитом. Из-за близости структуры и некоторых физических свойств нитрида бора и графита α-BN часто называют «белым графитом». В отличие от графита отдельные кристаллики BN прозрачны.

Белый, похожий на тальк порошок α-BN, получают из элементов при температурах выше 2000 °С. Нитрид бора может быть получен также прокаливанием бора (или B₂O₃) в атмосфере аммиака или при нагревании смеси B₂O₃ с восстановителями (углем, магнием) в атмосфере аммиака.

Температура плавления α-BN t_пл 3000 °С (под давлением азота). Плотность частиц порошка равна 2, 3 г/см³. По смазочным свойствам α-BN превосходит графит. В спрессованном состоянии нитрид бора обладает полупроводниковыми свойствами (с шириной запрещенной зоны около 3, 7 эВ), а при наличии небольшого количества примесей обладает люминесцентными свойствами. Лучшими активаторными свойствами в BN обладают С и B₂O₃. Углерод при низких концентрациях вызывает голубое, а при высоких — желтое свечение. Он хорошо актививизируется как люминофор при возбуждении светом, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, α-частицами и электронами.

Нитрид бора при комнатной температуре химически инертен, не реагирует с кислородом или хлором, кислотами или щелочами. Кислород и хлор начинают действовать на него при температурах выше 700 °С. Реагирует с фтором (образуя BF₃ и N₂) и с HF (образуя NH₄BF₄); горячие растворы щелочей разлагают его с выделением NH₃.

При температуре выше 1000°С начинает разлагаться на элементы.

При давлении выше 62 тыс. атм и температурах выше 1350 °С происходит полиморфное превращение графитоподобной гексагональной α-BN модификации в кубическую алмазоподобную β-BN структуру. Хорошими катализаторами такого превращения являются щелочные и щелочноземельные металлы. Как и в случае перехода графит—алмаз, полиморфное превращение сопровождается резким изменением свойств нитрида бора. Боразон кристаллизуется в структуре сфалерита с периодом решетки 3, 615=0, 001 А при 25 °С. (При определенном сочетании температур и давления может произойти образование кристаллов нитрида бора в структуре вюрцита.)

Кристаллы боразона, полученные при аллотропическом переходе BN (гекс.) — BN (куб.) при высоких давлениях, имеют вид полиэдров, обычно тетраэдров или октаэдров. Они прозрачны, а их цвет зависит от наличия и типа примесей. Размер образующихся кристаллов боразона зависит от давления и температуры процесса. Избыток бора в реакционной смеси придавал полученным кристаллам боразона коричневый или черный цвет, бериллий — синий, сера — желтый. Желтую окраску имеют также кристаллы боразона, полученного из смеси гексагонального нитрида бора с нитридом лития. Были получены также красные, белые и бесцветные кристаллы. В зависимости от вида и концентрации примесей боразон имеет различный тип проводимости, а величина удельного сопротивления лежит в пределах от 10⁴ до 10⁹ Ом^.см.

Плотность боразона равна 3, 45 г/см³. Твердость его при оценке по шкале Мооса соизмерима с твердостью алмаза (около 10 баллов), однако боразон сильно превосходит алмаз по термостойкости (до 2000 °С) и ударной прочности.

Химическая стойкость боразона значительно выше, чем обычной формы нитрида бора.

Кристаллы боразона не изменяются при нагреве в вакууме до температуры выше 2000 °С. При нагреве на воздухе медленное окисление боразона наблюдается лишь при 2000 °С, тогда как алмаз сгорает на воздухе уже при 875 °С.

При температуре 2500 °С и давлении 40000 атм происходит переход боразона в гексагональный нитрид бора.

Ромбоэдрическая модификация γ-BN обнаружена наряду с гексагональной при получении нитрида бора взаимодействием бората натрия с цианистым калием. Эта форма имеет структуру, подобную структуре β-графита с разным смещением между гексагонами в последовательных слоях. Периоды решетки а=2, 504 А, с=10, 01А.

Нитрид бора и материалы на его основе занимают заметное место в ряду важнейших инструментальных материалов и являются основой многих современных технологий. Он нашел широкое применение в реакциях промышленного органического синтеза и при крекинге нефти, в изделиях высокотемпературной техники, в производстве полупроводников, получении высокочистых металлов, газовых диэлектриков, как средство для тушения возгораний. Из нитрида бора изготовляют высокоогнеупорные материалы, проявляющие как полупроводниковые, так и диэлектрические свойства.

Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора обусловили появление большого количества материалов на основе его плотных модификаций и различных технологий его получения. Белая модификация применяется для получения высокоогнеупорных материалов, армирующих волокон, как полупроводниковый материал, сухая смазка для подшипников, поглотитель нейтронов в ядерных реакторах.

Основанием для широкого применения боразона в инструментах, послужила наибольшая твёрдость, приближающаяся к твёрдости алмаза. Из боразона изготавливают изделия, применяемые в высокотемпературной технике (тигли, изоляторы, тигли для получения полупроводниковых кристаллов, детали электровакуумных приборов); он применяется для производства полупроводниковых приборов и интегральных схем (твердотельные планарные источники примеси бора, диэлектрические прокладки конденсаторов), деталей электровакуумных приборов (окон выводов энергии, стержней теплоотводов).

Широкое применение находит пиролитический нитрид бора. Нитрид бора входит в состав промышленной керамики.