Menu nội dung
● Hiểu boron nitride
>> Các dạng nitride boron
>> Độ cứng và tính chất của nitride boron khối
>> Tính chất nhiệt và điện
● Hiểu vonfram cacbua
>> Độ cứng và tính chất cơ học
>> Ổn định nhiệt và hóa học
● Cấu trúc tinh thể chi tiết và liên kết
● Các ứng dụng công nghiệp và công nghệ mở rộng
● Cân nhắc về môi trường và kinh tế
● Nghiên cứu và phát triển trong tương lai
● Tính chất cơ học và hiệu suất trong các điều kiện khác nhau
● Tóm tắt về sự khác biệt chính
● Phần kết luận
● Câu hỏi thường gặp (Câu hỏi thường gặp)
>> 1. Sự khác biệt chính giữa boron nitride và vonfram cacbua về độ cứng là gì?
>> 2. Có thể vonfram cacbua có thể khó hơn boron nitride trong bất kỳ điều kiện nào không?
>> 3. Tại sao boron nitride khối được ưa thích hơn cacbua vonfram để cắt thép cứng?
>> 4 .. Vonfram cacbua có rẻ hơn so với khối nitride khối không?
>> 5. Có các dạng khác của boron nitride ngoài boron nitride khối không?
Khi nói đến các vật liệu siêu hình được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như các công cụ cắt, mài mòn và các bộ phận chống hao mòn, cả Boron Nitride và Vonfram cacbua là một trong những ứng cử viên hàng đầu. Tuy nhiên, chúng khác nhau đáng kể về cấu trúc tinh thể, độ cứng, độ ổn định nhiệt và sử dụng điển hình. Bài viết này tìm hiểu độ cứng và các tính chất liên quan khác của boron nitride (đặc biệt là boron nitride khối) và cacbua vonfram, so sánh điểm mạnh và điểm yếu của chúng để trả lời câu hỏi: điều nào khó hơn, boron nitride hay vonfram cacbua?
Hiểu boron nitride
Boron nitride (BN) là một hợp chất làm từ các nguyên tử boron và nitơ, tồn tại ở một số dạng tinh thể thể hiện các tính chất rất khác nhau.
Các dạng nitride boron
- Boron nitride hình lục giác (H-BN): Tương tự như than chì trong cấu trúc, nó mềm và bôi trơn với các liên kết cộng hóa trị mạnh trong các lớp nhưng liên kết yếu giữa các lớp.
-Boron Nitride khối (C-BN): Có cấu trúc tinh thể hình khối giống như kim cương, làm cho nó cực kỳ cứng và ổn định nhiệt.
- Wurtzite boron nitride (W-BN): Một dạng hình lục giác có cấu trúc tương tự như Lonsdaleite (kim cương lục giác), với độ cứng có khả năng vượt quá kim cương.
Độ cứng và tính chất của nitride boron khối
Boron nitride khối là vật liệu cứng thứ hai được biết đến sau kim cương, với độ cứng MoHS khoảng 9,5 đến 10. Độ cứng Vickers của nó có thể đạt tới 4800 HV, cao hơn đáng kể so với cacbide vonsten (khoảng 2400 hv). CBN cũng ổn định về mặt hóa học và giữ độ cứng ở nhiệt độ cao, làm cho nó lý tưởng để cắt thép cứng và môi trường mài mòn.
Độ cứng của CBN bắt nguồn từ liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ của nó trong một mạng tinh thể, tương tự như kim cương nhưng với độ ổn định nhiệt và hóa học tốt hơn khi gia công vật liệu màu. Polycrystalline C-BN với các hạt có kích thước nanomet có thể biểu hiện độ cứng tương đương hoặc vượt quá kim cương.
Tính chất nhiệt và điện
Boron nitride, đặc biệt là C-BN, có độ dẫn nhiệt tuyệt vời giữa các chất cách điện điện và có thể chịu được nhiệt độ rất cao (lên tới 2350 ° C về mặt cơ học). Nó cũng thể hiện các đặc tính bán dẫn khoảng cách dải rộng, phát ra ánh sáng tia cực tím dưới điện áp, mở ra các ứng dụng vượt quá độ cứng, chẳng hạn như đèn LED và laser.
Hiểu vonfram cacbua
Vonfram cacbua (WC) là một hợp chất của các nguyên tử vonfram và carbon trong một mạng tinh thể hình lục giác. Nó được sử dụng rộng rãi trong máy móc công nghiệp, các công cụ cắt, khai thác và mặc các bộ phận do độ cứng và độ cứng cao của nó.
Độ cứng và tính chất cơ học
Vonfram cacbua có độ cứng Mohs khoảng 9 đến 9,5 và độ cứng của Vickers khoảng 2400 HV. Nó cực kỳ cứng, với mô đun của một người trẻ trong khoảng từ 530 đến 700 GPa, khoảng ba lần bằng thép. Mật độ của nó cao (~ 15 g/cm³), góp phần vào sự mạnh mẽ của nó.
WC rất khó khăn và có thể được thiêu kết với các chất kết dính coban để cải thiện độ bền gãy, cân bằng độ cứng và độ giòn. Nó khó hơn hầu hết các loại thép và gốm sứ nhưng vẫn mềm hơn so với boron nitride khối.
Ổn định nhiệt và hóa học
WC có điểm nóng chảy cao (~ 2780 ° C) và độ dẫn nhiệt tốt (~ 110 W/m · k). Tuy nhiên, nó oxy hóa bắt đầu từ 500 nhiệt600 ° C và phân hủy ở nhiệt độ rất cao. Nó ổn định về mặt hóa học chống lại nhiều axit nhưng có thể bị tấn công bởi các hỗn hợp như axit hydrofluoric và axit nitric.
Cấu trúc tinh thể chi tiết và liên kết
Độ cứng đặc biệt của boron nitride khối (C-BN) và cacbua vonfram (WC) có thể được quy cho các cấu trúc tinh thể độc đáo của chúng và bản chất của liên kết nguyên tử trong các cấu trúc này.
- Boron nitride khối: Áp dụng cấu trúc tinh thể Blende tương tự như kim cương, trong đó mỗi nguyên tử boron được phối hợp tứ diện với bốn nguyên tử nitơ và ngược lại. Mạng liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ này dẫn đến một mạng lưới cứng chống lại biến dạng. Các liên kết định hướng mạnh mẽ trong C-BN góp phần vào độ cứng và độ ổn định nhiệt cao của nó.
- Vonfram cacbua: kết tinh trong cấu trúc đóng gói hình lục giác nơi các nguyên tử vonfram và carbon được đóng gói chặt chẽ. Liên kết trong WC là một hỗn hợp của đặc tính cộng hóa trị, kim loại và ion, cung cấp sự cân bằng giữa độ cứng và độ bền. Thành phần liên kết kim loại cho phép một số mức độ biến dạng dẻo, giúp tăng cường độ dẻo dai so với các vật liệu hoàn toàn cộng hóa trị như C-BN.
Các ứng dụng công nghiệp và công nghệ mở rộng
Ngoài các công cụ cắt và chất mài mòn, cả boron nitride và vonfram tìm thấy sử dụng trong một loạt các lĩnh vực công nghệ tiên tiến.
- Boron Nitride khối: Được sử dụng trong lớp phủ hiệu suất cao cho các thành phần hàng không vũ trụ do khả năng kháng oxy hóa và suy thoái nhiệt. Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử làm vật liệu cơ chất cho các chất bán dẫn năng lượng cao, tần số cao vì độ dẫn nhiệt tuyệt vời và tính chất cách điện. Ngoài ra, C-BN được sử dụng trong bánh xe mài chính xác và các ứng dụng đánh bóng khi cần độ cứng cực độ.
- Vonfram cacbua: Được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các công cụ khai thác, bit khoan và lớp phủ chống mài mòn. Độ dẻo dai của nó làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tác động và mài mòn. Ngoài ra, WC được sử dụng trong đồ trang sức như một vật liệu bền và chống trầy xước cho nhẫn và đồng hồ. Nó cũng phục vụ trong hình thành kim loại và đùn chết, trong đó sức đề kháng của nó kéo dài tuổi thọ của công cụ.
Cân nhắc về môi trường và kinh tế
Việc sản xuất cả hai vật liệu liên quan đến các quá trình sử dụng nhiều năng lượng.
-Boron nitride khối: Tổng hợp thường đòi hỏi các phương pháp áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT), tiêu thụ năng lượng đáng kể và yêu cầu thiết bị chuyên dụng. Sự phức tạp của sản xuất góp phần vào chi phí cao hơn và tính sẵn có hạn chế của nó.
- Vonfram cacbua: Sản xuất liên quan đến việc thiêu kết vonfram và bột carbon, ít sử dụng nhiều năng lượng nhưng vẫn cần kiểm soát cẩn thận các điều kiện. WC có giá cả phải chăng và có sẵn rộng rãi hơn, làm cho nó trở thành tài liệu được lựa chọn cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
Từ quan điểm môi trường, các tài nguyên vonfram và boron khai thác và tinh chế có tác động sinh thái. Tái chế các công cụ cacbua vonfram là phổ biến để giảm lượng chất thải và tiêu thụ tài nguyên. Nghiên cứu về các phương pháp tổng hợp xanh hơn cho C-BN đang diễn ra để giảm dấu chân môi trường của nó.
Nghiên cứu và phát triển trong tương lai
Nghiên cứu tiếp tục cải thiện các phương pháp tổng hợp và tính chất của vật liệu siêu hình.
- Boron Nitride: Những nỗ lực tập trung vào việc sản xuất các tinh thể lớn hơn, không khiếm khuyết của các dạng khối và Wurtzite để khai thác đầy đủ tiềm năng độ cứng của chúng. Cấu trúc nano và vật liệu composite kết hợp C-BN nhằm mục đích tăng cường độ dẻo dai trong khi duy trì độ cứng. Các kỹ thuật tổng hợp mới như lắng đọng hơi hóa học (CVD) đang được khám phá để tạo ra các màng và lớp phủ mỏng với hiệu suất vượt trội.
- Vonfram cacbua: Nghiên cứu nhằm mục đích cải thiện khả năng chống oxy hóa và độ ổn định nhiệt thông qua các lớp phủ hợp kim và tiên tiến. Vật liệu lai kết hợp WC với gốm hoặc kim loại khác đang được phát triển để tối ưu hóa hiệu suất cho các ứng dụng cụ thể. Những đổi mới trong các vật liệu chất kết dính, chẳng hạn như thay thế coban bằng các lựa chọn thay thế ít độc hại hơn, cũng đang được tiến hành.
Tính chất cơ học và hiệu suất trong các điều kiện khác nhau
Hiệu suất của C-BN và WC thay đổi trong các điều kiện cơ học và môi trường khác nhau.
- Boron Nitride khối: Duy trì độ cứng của nó ở nhiệt độ cao, làm cho nó trở nên lý tưởng cho gia công tốc độ cao nơi tạo ra nhiệt là đáng kể. Sự trơ hóa hóa học của nó ngăn ngừa sự suy giảm trong môi trường hung hăng, cho phép tuổi thọ công cụ dài hơn khi cắt kim loại màu.
- Vonfram cacbua: Mặc dù rất cứng, có thể oxy hóa và làm suy giảm nhiệt độ trên 500 nhiệt600 ° C, hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Tuy nhiên, độ bền vượt trội của nó cho phép nó hấp thụ các tác động và chống lại gãy xương tốt hơn C-BN, dễ vỡ hơn. Độ bền này làm cho WC thích hợp hơn trong các ứng dụng trong đó sốc cơ học là phổ biến.
Tóm tắt về sự khác biệt chính
| Tài |
sản Boron Nitride (C-BN) |
Vonfram cacbua (WC) |
| Cấu trúc tinh thể |
Khối kẽm-Blende |
Hình lục giác đóng gói |
| Liên kết |
Cộng hóa trị mạnh mẽ |
Cộng hóa trị hỗn hợp, kim loại |
| Độ cứng |
MOHS 9,5 |
Mohs 9 trận9.5, Vickers khoảng 2400 HV |
| Độ dẻo dai |
Thấp hơn, giòn hơn |
Cao hơn, khả năng chịu tác động cao hơn |
| Ổn định nhiệt |
Lên đến 2350 ° C Ổn định cơ học |
Oxy hóa trên 500 nhiệt600 ° C. |
| Mật độ (g/cm³) |
~ 3,5 - 3.6 |
~ 15 |
| Các ứng dụng điển hình |
Cắt thép cứng, thiết bị điện tử, lớp phủ hàng không vũ trụ |
Dụng cụ khai thác, bộ phận đeo, đồ trang sức |
Phần kết luận
Trong trận chiến cứng giữa Boron Nitride và vonfram cacbua, Boron Nitride khối rõ ràng nổi bật như vật liệu cứng hơn, với độ cứng của Mohs từ 9,5 đến 10 và độ cứng của Vickers gần gấp đôi so với cacbua vonfram. Độ ổn định nhiệt vượt trội và khả năng chống hóa học làm cho nó không thể thiếu để cắt thép cứng và các công việc gia công mài mòn trong đó các dụng cụ cacbua vonfram có thể bị hỏng.
Tuy nhiên, vonfram cacbua vẫn là một vật liệu linh hoạt, cứng rắn và hiệu quả về chi phí được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp. Độ cứng của nó rất ấn tượng nhưng không vượt qua boron nitride khối. Do đó, đối với các ứng dụng đòi hỏi độ cứng tối đa và ổn định nhiệt, boron nitride khối là lựa chọn ưa thích, trong khi cacbua vonfram được ưa chuộng trong đó độ bền và hiệu quả chi phí là ưu tiên.
Câu hỏi thường gặp (Câu hỏi thường gặp)
1. Sự khác biệt chính giữa boron nitride và vonfram cacbua về độ cứng là gì?
Boron nitride khối cứng hơn đáng kể so với cacbua vonfram, với độ cứng của MoHS khoảng 9,5. Độ cứng Vickers của nó cũng cao hơn nhiều, làm cho nó chống hao mòn hơn trong các ứng dụng đòi hỏi.
2. Có thể vonfram cacbua có thể khó hơn boron nitride trong bất kỳ điều kiện nào không?
Không, độ cứng nội tại của vonfram cacbua thấp hơn so với boron nitride khối. Tuy nhiên, vonfram carbide cung cấp độ dẻo dai tốt hơn và ít giòn hơn, có thể thuận lợi tùy thuộc vào ứng dụng.
3. Tại sao boron nitride khối được ưa thích hơn cacbua vonfram để cắt thép cứng?
Boron Nitride khối duy trì độ cứng và độ ổn định hóa học ở nhiệt độ cao và chống lại hao mòn tốt hơn khi gia công vật liệu màu, có thể làm giảm các dụng cụ cacbua vonfram nhanh hơn.
4 .. Vonfram cacbua có rẻ hơn so với khối nitride khối không?
Có, cacbua vonfram thường ít tốn kém hơn và dễ sản xuất hơn, làm cho nó trở nên phổ biến hơn trong nhiều công cụ công nghiệp nơi độ cứng cực độ không phải là yêu cầu chính.
5. Có các dạng khác của boron nitride ngoài boron nitride khối không?
Đúng, boron nitride hình lục giác (H-BN) là một dạng mềm hơn được sử dụng làm chất bôi trơn và Wurtzite boron nitride (W-BN) là một dạng hiếm có thể còn khó hơn kim cương nhưng khó tổng hợp ở dạng tinh khiết.
