Нанотрубки из нитрида бора: Характеристики, производство и применение

Описание

Нанотрубки из нитрида бора - это крошечные трубки, состоящие из атомов бора и азота, расположенных в виде шестиугольника. Их структура похожа на структуру углеродных нанотрубок, но ведут они себя совершенно по-другому. Они известны своей высокой термостойкостью, химической стабильностью и отличной механической прочностью. Эти свойства делают их сильным кандидатом для различных передовых промышленных применений.

Производство нанотрубок из нитрида бора

Существует несколько методов производства нанотрубок из нитрида бора в лабораториях и на производстве. Один из распространенных подходов - химическое осаждение из паровой фазы. В этом методе используются высокотемпературные реакторы, в которые подаются газы, содержащие бор и азот. При контролируемой температуре и давлении эти газы образуют крошечные трубки. Другой метод - шаровое измельчение. В этом случае бор и азот измельчаются вместе при высоких уровнях энергии, образуя нанотрубки. Также был успешно опробован метод лазерной абляции. В этом случае лазерный луч используется для испарения мишени, богатой бором и азотом, в контролируемой среде.

Производство нанотрубок из нитрида бора требует тщательного контроля температуры, давления и скорости потока газа. В процессе химического осаждения из паровой фазы температура может достигать более 900°C. Некоторые методы требуют использования катализаторов для формирования трубок, в то время как другие не содержат катализаторов. Каждый этап производства должен тщательно контролироваться, чтобы конечный продукт имел нужный размер и чистоту. Совершенствование технологий производства позволило со временем снизить затраты и увеличить выход продукции.

Характеристики нанотрубок нитрида бора

Нанотрубки из нитрида бора обладают рядом уникальных свойств. Они могут выдерживать температуры свыше 900°C без потери прочности. Во многих случаях их испытывали при температурах до 1 000°C. Они чрезвычайно легкие и прочные одновременно. Высокая механическая прочность и жесткость делают их пригодными для армирования композитных материалов.

Еще одна особенность этих нанотрубок - химическая стойкость. Они не вступают в реакцию с агрессивными химическими веществами. Это дает им преимущество в суровых условиях окружающей среды. В отличие от углеродных нанотрубок, нанотрубки из нитрида бора не проводят электричество. Это делает их полезными в качестве электрических изоляторов. Многие эксперименты показали, что их удельное сопротивление может быть гораздо выше, чем у материалов на основе углерода. Они также обладают высокой теплопроводностью. Это означает, что они могут помочь в передаче тепла в электронных устройствах.

Дополнительное чтение: Руководство по нитриду бора: Свойства, структура и применение

Применение нанотрубок из нитрида бора

Нанотрубки из нитрида бора находят применение во многих областях. В аэрокосмической и оборонной промышленности они помогают создавать легкие материалы, способные выдерживать очень высокие температуры. Их добавляют в композитные краски и покрытия для повышения термостойкости и прочности. В электронных устройствах их изоляционные свойства помогают предотвратить утечку электричества. В некоторых современных композитных материалах они используются в качестве армирующей фазы. Высокая термическая стабильность позволяет использовать их в суровых условиях или в местах, подверженных воздействию высоких энергий, например, в ядерных реакторах.

Рассматриваются также возможности применения в медицине. В исследованиях подробно рассматривается возможность использования нанотрубок нитрида бора для доставки лекарств и визуализации. В некоторых случаях их встраивали в интеллектуальные носители лекарств благодаря их химической стабильности и нетоксичности. В нескольких исследовательских проектах эти трубки были протестированы в биологических системах.

Сравнение нанотрубок из нитрида бора и углеродных нанотрубок

При сравнении с углеродными нанотрубками нанотрубки из нитрида бора демонстрируют заметные различия. Углеродные нанотрубки известны своей превосходной электропроводностью. Это означает, что они лучше проводят электрический ток. Нанотрубки из нитрида бора, напротив, служат электрическими изоляторами, что может быть весьма полезным для различных целей. Нанотрубки из нитрида бора также имеют преимущество при работе в условиях, требующих высокой температурной стабильности. В то время как углеродные нанотрубки могут окисляться или гореть при высоких температурах, нанотрубки из нитрида бора остаются стабильными. Однако оба типа нанотрубок обладают превосходной механической прочностью и способностью улучшать композитные материалы.

Заключение

Нанотрубки изнитрида бора перспективны для широкого спектра применений. Их способность выдерживать высокие температуры и агрессивные химические вещества в сочетании с улучшенными механическими свойствами отличает их от других. Они хорошо работают в качестве изоляторов в электронике и добавляют прочность композитам. Они являются серьезной альтернативой углеродным нанотрубкам, когда требуется высокая температура и стабильность.

Часто задаваемые вопросы

F: Из чего состоят нанотрубки нитрида бора?
В: Они состоят из бора и азота, расположенных в гексагональной решетке.

F: Проводят ли нанотрубки из нитрида бора электричество?
В: Нет, в большинстве условий они являются электрическими изоляторами.

F: Как нанотрубки из нитрида бора используются в композитах?
В: Их добавляют в армирующие материалы, повышая прочность и термостойкость.

Ссылки:

1. Bansal, N. P., Hurst, J. B., & Choi, S. R. (2006). Усиленные нанотрубками нитрида бора стеклянные композиты. 30-я Международная конференция и выставка по передовой керамике и композитам, 22-27 января, Кокоа-Бич, Флорида.

2. Лахири, Д., Сингх, В., Ли, Л. Х., Синг, Т., Сил, С., Чен, Й., и Агарвал, А. (2012). Взгляд на реакции и границы раздела между нанотрубкой нитрида бора и алюминием. Journal of Materials Research, 27(21), 2760-2770. https://doi.org/10.1557/jmr.2012.294

3. Thibeault, S. A., Fay, C. C., Earle, K. D., Lowther, S. E., Sauti, G., Kang, J. H., Park, C., & McMullen, A. M. (2014). Материалы для защиты от радиации, содержащие водород, бор и азот. Технический меморандум НАСА, 31 января 2014 года.