วิธีการเตรียมผงโบรอนอสัณฐาน
ผงโบรอนอสัณฐานส่วนใหญ่เตรียมได้จาก 6 วิธีหลัก ได้แก่การลดความร้อนของโลหะ การลดไฮโดรเจนด้วยโบรอนเฮไลด์ การสังเคราะห์ด้วยพลาสมา การไพโรไลซิสของโบรอน การอิเล็กโทรไลซิส การสังเคราะห์ด้วยอุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายเอง และการลดความร้อนของซิลิคอนในบรรดาวิธีเหล่านี้ การลดความร้อนของแมกนีเซียมเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรม ในขณะที่การสังเคราะห์ด้วยพลาสมาและการลดไฮโดรเจนด้วยโบรอนไตรคลอไรด์เป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและระดับนาโน
1. การลดแมกนีเซียมด้วยความร้อน (วิธีการทางอุตสาหกรรมหลัก ต้นทุนต่ำ)
หลักการ
ทำปฏิกิริยากำจัดน้ำออกจากกรดบอริกเพื่อเตรียมโบรอนไตรออกไซด์ จากนั้นทำปฏิกิริยารีดิวซ์ด้วยแมกนีเซียมที่อุณหภูมิสูง
กระบวนการ
กรดบอริก → การกำจัดน้ำ → โบรอนแอนไฮไดรด์ → การผสมกับผงแมกนีเซียม → การรีดิวซ์ที่อุณหภูมิสูง 850–950℃ → ผลิตภัณฑ์โบรอนดิบ → การดองด้วยกรดไฮโดรคลอริก → การล้างด้วยน้ำ → การทำให้บริสุทธิ์ขั้นที่สอง → การอบแห้ง → การร่อน
ข้อดีและข้อเสีย
- ข้อดี: ต้นทุนต่ำ การผลิตจำนวนมากมีเสถียรภาพ ขนาดอนุภาค 0.5–2 ไมโครเมตร ความบริสุทธิ์ 92%–98%
- ข้อเสีย: มีแมกนีเซียมออกไซด์และโบรอน-แมกนีเซียมเจือปน ทำให้ต้องผ่านกระบวนการทำให้บริสุทธิ์อย่างละเอียด และยากที่จะได้ความบริสุทธิ์ระดับที่ใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
2. ปฏิกิริยารีดักชันไฮโดรเจนของโบรอนเฮไลด์ (ตัวเลือกแรกสำหรับความบริสุทธิ์สูงและเกรดอิเล็กทรอนิกส์)
หลักการ
โบรอนไตรคลอไรด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนภายใต้สภาวะก๊าซที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างโบรอนอสัณฐาน
อุณหภูมิปฏิกิริยา: 1200–1500℃
ข้อดีและข้อเสีย
- ข้อดี: ความบริสุทธิ์สูงถึง 99.9%–99.999%, ปริมาณสิ่งเจือปนต่ำมาก, ขนาดอนุภาคที่ควบคุมได้ 0.1–1 ไมโครเมตร, เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเจือสารในเซมิคอนดักเตอร์
- ข้อเสีย: อุปกรณ์มีราคาแพง โบรอนไตรคลอไรด์มีพิษและกัดกร่อนสูง ต้นทุนการผลิตสูง
3. วิธีการสังเคราะห์ด้วยพลาสมา (ระดับนาโนความบริสุทธิ์สูง)
หลักการ
โบรอนไตรคลอไรด์และไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากันทันทีภายใต้พลาสมาอาร์คอุณหภูมิสูงมาก การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจะยับยั้งการตกผลึกเพื่อสังเคราะห์ผงโบรอนอสัณฐานระดับนาโนโดยตรง
ข้อดีและข้อเสีย
- ข้อดี: ขนาดอนุภาคนาโน, กิจกรรมทางเคมีสูง, ความบริสุทธิ์สูง, โครงสร้างอสัณฐานที่เสถียร
- ข้อเสีย: อุปกรณ์ซับซ้อน ใช้พลังงานสูง กำลังการผลิตในระดับใหญ่มีจำกัด
4. วิธีการไพโรไลซิสของโบเรน (การผลิตในห้องปฏิบัติการและการผลิตขนาดเล็กที่มีความบริสุทธิ์สูง)
หลักการ
ไดโบเรนจะถูกเผาไหม้ที่อุณหภูมิ 400–800℃ เพื่อผลิตโบรอนอสัณฐาน โบรอนผลึกจะเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 1000℃
คุณสมบัติ
ไดโบเรนมีจำหน่ายด้วยความบริบริสุทธิ์สูงถึง 99.99% และขนาดอนุภาคละเอียดมาก อย่างไรก็ตาม ไดโบเรนมีพิษ ติดไฟได้เอง และระเบิดได้ จึงเหมาะสำหรับการวิจัยในห้องปฏิบัติการและการผลิตในปริมาณน้อยเท่านั้น
5. วิธีการแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้เกลือหลอมเหลว (เกรดพิเศษและเกรดนิวเคลียร์)
หลักการ
ใช้ฟลูออโรโบเรตเป็นอิเล็กโทรไลต์หลอมเหลว โบรอนอสัณฐานจะตกตะกอนบนแคโทดผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสที่อุณหภูมิ 700–800℃
คุณสมบัติ
มีความบริสุทธิ์สูงถึง 95%–98% เหมาะสำหรับวัสดุป้องกันรังสีนิวเคลียร์ที่เสริมสมรรถนะด้วยโบรอน-10 ต้องการความทนทานต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงสำหรับอุปกรณ์ มีการใช้พลังงานสูง และมีขอบเขตการใช้งานค่อนข้างจำกัด
6. การสังเคราะห์ด้วยอุณหภูมิสูงแบบแพร่กระจายเองและการลดความร้อนของซิลิคอน
- การสังเคราะห์แบบแพร่กระจายเอง : กระตุ้นปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วด้วยการจุดไฟเฉพาะจุด ความบริสุทธิ์ต่ำ 92%–94% อนุภาคละเอียดสม่ำเสมอ
- การลดซิลิคอนด้วยความร้อน : เตรียมผงโบรอนอสัณฐานทรงกลม ผลพลอยได้ละลายน้ำได้และกำจัดออกได้ง่ายด้วยการล้าง
การเปรียบเทียบวิธีการเตรียมต่างๆ
| วิธีการเตรียม | ช่วงความบริสุทธิ์ | ขนาดอนุภาค | ต้นทุนการผลิต | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|---|
| การลดความร้อนของแมกนีเซียม | 92%–98% | 0.5–2 ไมโครเมตร | ต่ำ | เชื้อเพลิงแข็ง, สารเติมแต่งการเผาผนึกเซรามิก |
| การลดไฮโดรเจนของโบรอนเฮไลด์ | 99.9%–99.999% | 0.1–1 ไมโครเมตร | สูง | การเติมสารเจือในสารกึ่งตัวนำ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ |
| การสังเคราะห์พลาสมา | 99.9%–99.97% | 30–100 นาโนเมตร | ปานกลาง-สูง | วัสดุขัดเงาระดับนาโน วัสดุพลังงานสูง |
| การไพโรไลซิสของโบเรน | สูงถึง 99.99% | 50–200 นาโนเมตร | สูงมาก | การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ วัสดุขั้นสูงพิเศษ |
| การแยกด้วยไฟฟ้าเกลือหลอมเหลว | 95%–98% | 1–5 ไมโครเมตร | ปานกลาง | การป้องกันรังสีนิวเคลียร์ ไอโซโทปโบรอน e |