البوتقة عبارة عن وعاء على شكل كوب يستخدم في الصناعة الكيميائية، وقد تم استخدامه لأول مرة في تجارب الكيمياء ويستخدم لحفظ السائل أو الصلب للتسخين بدرجة حرارة عالية، وهو الأساس لضمان التقدم السلس للتفاعلات الكيميائية.
تتطلب مادة البوتقة مقاومة للحرارة، وقوية، وفي درجات حرارة عالية لا تكون سهلة للتفاعل الكيميائي، فأقدم بوتقة في التاريخ مصنوعة من الطين، وقد تطور إلى العصر الحديث حيث تمكن من إذابة أو تغيير محتوياتها من أي مادة، مثل سيراميك الكوارتز. وأكسيد الالمونيوم ونيتريد البورون والزركونيا والجرافيت والبلاتين والنيكل والكروم والمعادن الأخرى.
نيتريد البورون هي مادة خزفية متقدمة ذات آفاق تطبيق واسعة، وتتكون من ذرات النيتروجين وذرات البورون البلورية، التركيب الكيميائي 43.6٪ بورون و 56.4٪ نيتروجين، مع أربعة أنواع مختلفة: نيتريد البورون السداسي (HBN)، نيتريد البورون المكعب ( CBN)، نيتريد البورون المعيني (RBN)، نيتريد البورون ورتزايت (WBN).
نظرًا لأن مادة نيتريد البورون لها معامل تمدد حراري مشابه للكوارتز، ولكن الموصلية الحرارية 10 أضعاف تلك الموجودة في الأخير، فإن مقاومة الصدمات الحرارية جيدة جدًا، مما يمكن أن يقلل من خطر التمزق الناجم عن التغيرات السريعة في درجة الحرارة، و لا توجد مشكلة في عدة دورات عند 20 ~ 1200 درجة مئوية.
وبالإضافة إلى ذلك، نيتريد البورون والأحماض والقلويات والزجاج ومعظم المعادن لا تتفاعل، والقوة الميكانيكية منخفضة، فقط أعلى قليلا من الجرافيت، ولكن لن تكون هناك ظاهرة تليين الحمل في درجات حرارة عالية، ويمكن معالجتها بواسطة آلة معالجة المعادن العامة ، لذلك فهو مناسب بالفعل لصهر وتبخير البوتقة المعدنية والأواني وأنابيب نقل المعدن السائل وصب القالب الفولاذي.
تنقسم بوتقة نيتريد البورون الموجودة حاليا في السوق إلى نوعين:
بوتقة PBN
عادة، يتم استخدام الغاز المحتوي على البورون (BCl3 أو B2H6) كمادة خام ويتم إنتاجه بطريقة الترسيب البخاري الكيميائي، ولكن نظرًا لأن B2H6 شديد السمية، يستخدم BCl3 حاليًا كمادة خام. يتم تحليل الغاز المحتوي على البورون حرارياً (1500-1800 درجة مئوية) ويتفاعل مع NH3 في غرفة تفاعل ذات درجة حرارة عالية لتكوين مواد صلبة من نيتريد البورون، وتكون المعادلة الكيميائية كما يلي. نظرًا لوجود تفاعل الانحلال الحراري في التفاعل، يُطلق عليه أيضًا بوتقة نيتريد البورون الحراري (المعروفة باسم بوتقة PBN).
تشبه عملية نمو مادة PBN "تساقط الثلوج"، أي أن رقائق الثلج السداسية BN المزروعة في التفاعل تتراكم باستمرار على مصفوفة الجرافيت الساخنة (القالب الأساسي)، مع تمديد الوقت، تصبح طبقة التراكم سميكة أي أنه يتم تشكيل غلاف PBN، ويتم إزالة القالب من مكونات PBN المستقلة والنقية، ويتم ترك طلاء PBN عليه.
نظرًا لأن بوتقة PBN لا تحتاج إلى المرور عبر عملية تلبيد بالضغط الساخن التقليدية، دون إضافة أي عامل تلبيد، فهي تتمتع بنقاء عالي (99.99٪ أو أكثر)، ودرجة حرارة الاستخدام تحت الفراغ تصل إلى 1800 درجة، و درجة حرارة الاستخدام تحت حماية الغلاف الجوي تصل إلى 2100 درجة (بشكل عام مع النيتروجين أو الأرجون). يستخدم في الغالب للتبخر/نمو الحزمة الجزيئية (MBE)/نمو GaAs. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لبطء معدل الترسيب، فإن سعر بوتقة PBN مكلف للغاية (بوتقة صغيرة الحجم في الغالب).
بوتقة BN
بوتقة BN الملبدة هي استخدام نظام بلوري سداسي من نيتريد البورون ومساعد التلبد (Y2O3، إلخ) كمواد خام، بعد التشكيل عن طريق إنتاج التلبيد بدرجة حرارة عالية، كما أنها تتمتع بمقاومة جيدة للحرارة، وثبات حراري، وموصلية حرارية، وقوة عازلة لدرجة الحرارة العالية. يمكن أن يقاوم معظم تآكل المعدن المنصهر.
ومع ذلك، نظرًا لأن بوتقة BN الملبدة تحتوي على مادة مساعدة تلبد (1~6% بالوزن)، فإن درجة النقاء ليست عالية مثل بوتقة PBN. ومع ذلك، فإن السعر رخيص نسبيًا، ومناسب لإنتاج بوتقة كبيرة الحجم، والتي تستخدم في الغازات الخاملة مثل الأرجون أو النيتروجين، ودرجة الحرارة القصوى هي 2800 درجة مئوية؛ الاستقرار في الأكسجين ضعيف ولا يمكن استخدامه إلا في درجة حرارة أقل من 900 درجة مئوية.
تطبيق بوتقة نيتريد البورون
على الرغم من أن تكلفة بوتقة نيتريد البورون ستكون أعلى، نظرًا لأنها تتمتع بخصائص صدمة حرارية جيدة، ومقاومة للتآكل، والتشحيم، وعزل لدرجة الحرارة العالية، ومزايا عدم التفاعل عند درجة حرارة عالية، إلا أنها عملية جدًا في مجالات محددة.
على سبيل المثال، بين الثبات الكيميائي الممتاز لـ P-BN وخصائص العزل ذات درجة الحرارة العالية المذكورة أعلاه، والتوصيل الحراري العالي، وخصائص التمدد الحراري المنخفضة، فهو مناسب جدًا للاستخدام كمادة في عملية أشباه الموصلات وغيرها من الظروف البيئية الصارمة، مثل زرنيخيد الغاليوم، فوسفيد الغاليوم، فوسفيد الإنديوم.
في الوقت نفسه، نظرًا لأن بوتقة نيتريد البورون تتمتع بأداء تصنيع جيد، ومقاومة درجات الحرارة العالية جدًا وقوة العزل الكهربائي، فيمكن استخدامها أيضًا لصنع مواد عازلة أو تركيبات زجاجية للسخانات المختلفة، وأكمام أنبوب التسخين ودرجات الحرارة العالية، والتردد العالي والارتفاع العالي. مواد تبديد الحرارة الضغط.
