Naukowcy z Rice University odkryli, że ultracienkie, sześciokątne cząsteczki azotku boru mogą utworzyć warstwy, które ochronią metale przed korozją w wyniku działania wysokich temperatur.
Korozja to inaczej zżeranie (niszczenie) materiału na skutek kontaktu powierzchni z otaczającym środowiskiem. Metodami ochrony przed korozją są m.in. osuszanie i oczyszczanie powierzchni na nią narażonych, stosowanie metod elektrochemicznych oraz nakładanie powłok ochronnych.
Heksagonalny (sześciokątny) azotek boru – h-BN (z ang. hexagonal boron nitride) posiada strukturę podobną do grafitu, a także podobne właściwości fizyczne (dobrze przewodzi ciepło, a także jest odporny na wysoką temperaturę). Heksagonalny azotek boru nazywany jest czasem “białym” grafitem lub grafenem, gdyż jego pojedyncza warstwa wygląda jak dwuwymiarowa, sześciokątna konstrukcja grafenu (struktura plastra miodu). Natomiast azotek boru o regularnej strukturze stosowany jest jako pokrycie narzędzi skrawających materiałów o dużej twardości.
Tak wygląda heksagonalna (sześciokątna) struktura azotku boru (h-BN).
Naukowcy udowodnili, że materiały pokryte jedną lub kilkoma warstwami h-BN są odporne na utlenianie (korozję) w temperaturze 1100°C. Wyniki badań zostały opublikowane 4 października 2013 roku w czasopiśmie Nature Communications.
Inżynierowie wytworzyli cienkie arkusze heksagonalnego azotku boru za pomocą metody chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD (ang. chemical vapour deposition). Badacze najpierw osadzili h-BN na cienkim niklowym podłożu i wystawili na działanie wysokich temperatur, w środowisku silnie utleniającym. Korozja niklu nie nastąpiła (metal nie utlenił się) w temperaturze 1100°C. Naukowcy osadzili także arkusz h-BN na warstwie grafenu, a stamtąd przenieśli go na podłoża z miedzi i stali. Wyniki w teście korozyjnym były podobne do wyników warstwy na niklu.
Naukowcy byli zdziwieni, że powłoki o nanometrycznych wymiarach potrafiły ochronić podłoża przed utlenianiem w tak wysokich temperaturach. Uczeni przewidują, że stabilny chemicznie heksagonalny azotek boru będzie chronił materiały przed korozją w temperaturze nawet 1500°C.
Rynek powłok zapobiegających korozji jest obecnie szeroko rozwijany, a naukowcy z Rice University przekonują, że ich technologię można stosować w skali przemysłowej, a nie tylko laboratoryjnej.
Wysokotemperaturowe, antykorozyjne warstwy h-BN mogą znaleźć zastosowanie np. przy pokryciu turbin silników samolotowych, narzędzi wykorzystywanych przy wydobyciu ropy naftowej i w innych trudnych warunkach środowiska. Atutem jest minimalny rozmiar warstwy i praktycznie niezauważalna waga. W zależności od zastosowania potrzebne będzie opracowanie pokrycia o optymalnej grubości, ze względu na zużycie materiału w wyniku ścierania.
Źródło:
[1] Ultrathin high-temperature oxidation-resistant coatings of hexagonal boron nitride. Zheng Liu, Yongji Gong, Wu Zhou, Lulu Ma, Jingjiang Yu, Juan Carlos Idrobo, Jeil Jung, Allan H. MacDonald, Robert Vajtai, Jun Lou & Pulickel M. Ajayan. Nature Communications 4, Article number: 2541 doi:10.1038/ncomms3541
[2] http://www.nature.com/ncomms/2013/131004/ncomms3541/
extref/ncomms3541-s1.pdf | 14.10.2014
[3] Boron-nitride-(hexagonal)-top-3D-balls by Benjah-bmm27, Wikimedia Commons, Public Domain
[4] Guarding the Nuts by opticalreflex, flickr.com, CC BY 2.0