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이붕화 레늄

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목차

1. 개요

이붕화레늄(ReB₂)은 높은 경도를 특징으로 하는 화합물로, "초경질 재료"로 언급되기도 하지만, 실제 측정된 경도는 일반적인 초경질 재료의 기준에 미치지 못하는 경우가 많다. 이붕화레늄은 다양한 방법으로 합성될 수 있으며, 염 치환 반응, 전기 아크 용융, 직접 가열 방식 등이 사용된다. 이붕화레늄의 경도는 측정 조건 및 결정 구조에 따라 다르며, 높은 원자가 전자 밀도와 짧은 공유 결합이 높은 경도에 기여한다.

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이붕화 레늄 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
IUPAC 명칭이붕화 레늄
CAS 등록번호12355-99-6
PubChem 식별자57418167
SMILESB#[Re]#B
EC 번호234-959-3
InChIInChI=1S/2B.Re
InChIKeyOLXPHXSOQYDZNT-UHFFFAOYSA-N
속성
화학식ReB₂
몰 질량207.83 g/mol
외형검은색 분말
밀도12.7 g/cm³
녹는점2400 °C
용해도없음
구조
결정 구조육방정계, 공간군 P6₃/mmc
위험성
GHS 신호어경고
관련 화합물

2. 붕소 화합물의 종류와 특성

붕소 화합물 중에는 산화 붕소(B2O)와 탄화 붕소(B4C)가 있으며, 이 두 화합물은 모두 다이아몬드보다 단단하다고 추측된다.

2. 1. 산화 붕소 (B₂O)

붕소 화합물 중에는 산화 붕소(B2O)와 탄화 붕소(B4C)가 있다. 이 두 화합물은 모두 다이아몬드보다 단단하다고 추측된다.

2. 2. 탄화 붕소 (B₄C)

탄화 붕소(B4C)는 산화 붕소(B2O)와 함께 붕소 화합물에 속하며, 다이아몬드보다 단단하다고 추측된다.

2. 3. 이붕화레늄 (ReB₂)

이붕화레늄(ReB₂)은 높은 경도로 인해 "초경질 재료"로 언급되기도 하지만, 논란의 여지가 있다.[4][6] 초경질 재료의 일반적인 기준은 비커스 경도 40 GPa 이상이지만, 이붕화레늄은 4.9 N에서 30.1 ± 1.3 GPa로 기준에 미치지 못한다.[4] 다른 연구에서는 완전 밀도 ReB₂의 비커스 경도(Hv)를 2.94 N 하중에서 약 22 GPa로 추정했는데, 이는 탄화텅스텐, 탄화규소, 이붕화티타늄 또는 이붕화지르코늄과 비슷한 수준이다.[6]

40 GPa를 초과하는 경도 값은 매우 낮은 하중에서만 관찰되었는데, 이는 고체 시험에 적합하지 않다.[4] 0.49 N의 낮은 하중에서는 평균 48 ± 5.6 GPa, 최대 55.5 GPa로 입방정질화붕소(c-BN)와 유사한 경도를 보였다.[5] 하중과 경도의 역비례 관계는 압입 크기 효과로 알려져 있다.[5]

최근 이붕화레늄(ReB₂)의 경도 및 특성 개선 연구가 활발하다. ReB₂(R-3m) 다형질이성의 경도는 41.7 GPa, ReB₂(P6₃/mmc)는 약 40.6 GPa로 추정되었다.[7] B₄C-27중량%ReB₂ 세라믹 복합 나노분말을 스파크 플라즈마 소결법으로 제조한 결과, 49 N 하중에서 50 ± 3 GPa의 미세경도와 3.2g/cm3의 밀도를 나타내며, 이는 c-BN과 유사하다.[8]

이붕화레늄(ReB₂)의 경도는 육각형 층상 구조로 인해 이방성을 보이며, ''c''축 방향에서 가장 크다. 높은 경도는 높은 원자가 전자 밀도와 짧은 공유 결합이 많기 때문이다.[5][9] 레늄은 오스뮴 (572electrons/nm3), 다이아몬드 (705electrons/nm3) 다음으로 높은 원자가 전자 밀도(476electrons/nm3)를 가진 전이 금속 중 하나이다.[10] 작은 붕소 원자가 레늄 원자 사이 공간을 채워 레늄 격자는 5%만 확장된다. 레늄과 붕소의 전기 음성도는 폴링 척도에서 1.9와 2.04로 비슷하여 공유 결합을 형성한다.

3. 이붕화레늄 합성

이붕화레늄(ReB2)


이붕화레늄(ReB2)은 표준 대기압에서 고상 치환 반응, 전기 아크에서의 용융, 그리고 원소들의 직접 가열, 적어도 세 가지 방법으로 합성될 수 있다.[5]

3. 1. 염 치환 반응

삼염화레늄과 이붕화마그네슘을 섞어 불활성 분위기에서 가열하고, 생성된 염화마그네슘 부산물을 씻어낸다.[5] 이 과정에서 Re7B3 및 Re3B와 같은 다른 상의 생성을 방지하기 위해 과량의 붕소가 필요하다.

3. 2. 전기 아크 용융

아크 용융법에서는 레늄과 붕소 분말을 섞어 불활성 분위기에서 혼합물에 큰 전류를 통과시킨다.[5]

3. 3. 직접 가열

레늄-붕소 혼합물을 진공 상태로 밀봉하고 1000°C에서 5일간 고온으로 유지한다.[5]

이 방법을 통해 다른 상 없이 순수한 ReB2를 생성할 수 있다는 것이 X선 결정학으로 확인되었다.[5]

4. 이붕화레늄 경도

이붕화레늄(ReB₂)은 육각형 층상 구조를 가져서 이방성을 띠는데, ''c''축 방향에서 경도가 가장 크다.[5][9] 높은 경도는 높은 원자가 전자 밀도와 짧고 많은 공유 결합 때문으로 설명된다.[5][9] 레늄은 전이 금속 중 원자가 전자 밀도가 가장 높은 원소 중 하나이다(476 electrons/nm³, 오스뮴 572 electrons/nm³, 다이아몬드 705 electrons/nm³).[10] 붕소 원자는 작아서 레늄 원자 사이의 공간을 채우기 때문에 레늄 격자는 5% 정도만 늘어난다. 레늄과 붕소는 폴링 척도에서 각각 1.9와 2.04로 전기 음성도가 비슷하여 공유 결합을 형성한다.

4. 1. 초경질 재료 논란

이붕화레늄(ReB₂)은 높은 경도 때문에 때때로 "초경질 재료"로 언급되기도 하지만, 논란의 여지가 있다.[4][6] 경질 및 초경질 재료에 권장되는 점근적 경도 영역에서 시험한 결과,[4] 이붕화레늄은 4.9 N에서 비커스 경도가 30.1 ± 1.3 GPa에 불과하여, "초경질"로 분류하는 데 일반적으로 받아들여지는 40 GPa 이상의 기준치를 크게 밑돌았다.[4] 다른 연구에서는 완전 밀도의 ReB₂의 비커스 경도(Hv)를 2.94 N의 하중에서 약 22 GPa로 추정했는데,[6] 이는 탄화텅스텐, 탄화규소, 이붕화티타늄 또는 이붕화지르코늄과 비슷하다.[6]

40 GPa를 초과하는 값은 매우 낮은 하중의 시험에서만 관찰되었는데, 이는 이러한 유형의 고체에 적합한 시험 방법이 아니다.[4] 한 시험에서 가장 낮은 시험 하중인 0.49 N은 평균 경도 48 ± 5.6 GPa, 최대 경도 55.5 GPa를 나타냈는데, 이는 동등한 하중 하에서 입방정질화붕소(c-BN)의 경도와 비슷하다.[5] 가해진 하중과 경도 사이의 역비례 관계 현상은 압입 크기 효과로 알려져 있다.[5]

최근 이붕화레늄(ReB₂)의 경도 및 기타 특성을 개선하기 위한 많은 연구가 진행되었다. 한 연구에서는 ReB₂(R-3m) 다형질이성의 경도가 41.7 GPa로, ReB₂(P6₃/mmc)의 경도는 약 40.6 GPa로 추정되었다.[7] 또 다른 연구에서는 B₄C-27중량%ReB₂ 세라믹 복합 나노분말을 스파크 플라즈마 소결법으로 제조하였다. 이것은 점근적 경도 영역에서 49 N 하중 하에 50 ± 3 GPa의 미세경도를 나타냈으며, 3.2g/cm3의 밀도를 가지는데, 이는 c-BN의 경도 및 밀도와 비슷하다.[8]

이붕화레늄(ReB₂)의 경도는 육각형 층상 구조 때문에 상당한 이방성을 나타내며, ''c''축을 따라 가장 크다. 이붕화레늄의 높은 경도에는 두 가지 요인이 기여하는데, 높은 원자가 전자 밀도와 풍부한 짧은 공유 결합이다.[5][9] 레늄은 모든 전이 금속 중에서 가장 높은 원자가 전자 밀도 중 하나를 가지고 있다(476 electrons/nm³, 오스뮴의 572 electrons/nm³ 및 다이아몬드의 705 electrons/nm³와 비교[10]). 붕소의 첨가는 작은 붕소 원자가 레늄 원자 사이의 기존 공간을 채우기 때문에 레늄 격자의 5% 확장만 필요하다. 또한 레늄과 붕소의 전기 음성도는 폴링 척도에서 1.9와 2.04로 충분히 가까워 전자가 거의 동등하게 공유되는 공유 결합을 형성한다.

4. 2. 비커스 경도 측정

이붕화레늄(ReB₂)의 비커스 경도는 측정 하중에 따라 다르게 나타난다. 4.9 N에서는 30.1 ± 1.3 GPa로 초경질 재료 기준인 40 GPa에 미치지 못했다.[4] 2.94 N에서는 약 22 GPa로 탄화텅스텐, 탄화규소, 이붕화티타늄 등과 비슷한 수준이었다.[6]

그러나 0.49 N의 낮은 하중에서는 평균 48 ± 5.6 GPa, 최대 55.5 GPa로 입방정질화붕소(c-BN)와 유사하게 측정되었다.[5] 이처럼 하중이 낮을 때 경도가 높게 나타나는 현상은 압입 크기 효과로 설명된다.[5]

최근 연구에 따르면 ReB₂(R-3m) 다형질이성은 41.7 GPa, ReB₂(P6₃/mmc)는 약 40.6 GPa의 경도를 가진다.[7] B₄C-27중량%ReB₂ 세라믹 복합 나노분말은 49 N에서 50 ± 3 GPa의 미세경도를 보였다.[8]

4. 3. 경도 향상 연구

이붕화레늄(ReB₂)은 높은 경도로 인해 "초경질 재료"로 언급되기도 하지만, 실제 측정된 비커스 경도(Vickers hardness)는 4.9 N에서 30.1 ± 1.3 GPa로, 초경질 재료의 기준인 40 GPa에 미치지 못한다.[4] 다른 연구에서는 완전 밀도의 ReB₂의 비커스 경도를 2.94 N 하중에서 약 22 GPa로 추정했는데, 이는 탄화텅스텐, 탄화규소, 이붕화티타늄 또는 이붕화지르코늄과 비슷하다.[6]

40 GPa를 초과하는 경도 값은 매우 낮은 하중에서만 관찰되었는데, 이는 고체의 경도 시험에 적합한 방법이 아니다.[4] 0.49 N의 낮은 하중에서는 평균 48 ± 5.6 GPa, 최대 55.5 GPa의 경도를 나타내기도 하는데, 이는 입방정질화붕소(c-BN)와 비슷한 수준이다.[5] 이처럼 하중과 경도가 반비례하는 현상은 압입 크기 효과라고 한다.[5]

최근에는 이붕화레늄의 경도를 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. ReB₂(R-3m) 다형질이성의 경도는 41.7 GPa, ReB₂(P6₃/mmc)의 경도는 약 40.6 GPa로 추정되기도 한다.[7] B₄C-27중량%ReB₂ 세라믹 복합 나노분말을 스파크 플라즈마 소결법으로 제조한 결과, 49 N 하중에서 50 ± 3 GPa의 미세경도를 나타냈으며, 이는 c-BN의 경도 및 밀도와 비슷하다.[8]

이붕화레늄의 경도는 육각형 층상 구조로 인해 이방성을 보이며, ''c''축 방향에서 가장 크다. 높은 경도는 높은 원자가 전자 밀도와 짧은 공유 결합이 많기 때문이다.[5][9] 레늄은 전이 금속 중에서도 가장 높은 원자가 전자 밀도를 가진 원소 중 하나이며(476 electrons/nm³, 오스뮴 572 electrons/nm³, 다이아몬드 705 electrons/nm³)[10], 붕소가 첨가되어도 레늄 격자는 5% 정도만 확장된다. 레늄과 붕소의 전기 음성도는 폴링 척도에서 각각 1.9와 2.04로 비슷하여 공유 결합을 형성한다.

4. 4. 이방성

이붕화 레늄(ReB₂)의 경도는 육각형 층상 구조 때문에 상당한 이방성을 나타내며, ''c''축을 따라 가장 크다.[5][9] 이붕화 레늄의 높은 경도는 높은 원자가 전자 밀도와 풍부하고 짧은 공유 결합이라는 두 가지 요인이 작용한다.[5][9] 레늄은 모든 전이 금속 중에서 가장 높은 원자가 전자 밀도 중 하나를 가지고 있다(476 electrons/nm³, 오스뮴의 572 electrons/nm³, 다이아몬드의 705 electrons/nm³와 비교[10]). 작은 붕소 원자가 레늄 원자 사이의 기존 공간을 채우기 때문에 붕소 첨가에 의한 레늄 격자 확장은 5%에 불과하다. 또한 레늄과 붕소의 전기 음성도는 폴링 척도에서 각각 1.9와 2.04로 충분히 가까워, 전자가 거의 동등하게 공유되는 공유 결합을 형성한다.

4. 5. 높은 경도의 요인

이붕화 레늄의 높은 경도는 높은 원자가 전자 밀도와 짧은 공유 결합이 많다는 두 가지 요인에 기인한다.[5][9] 레늄은 모든 전이 금속 중에서 가장 높은 원자가 전자 밀도 중 하나를 가지고 있다(476 electrons/nm³, 오스뮴의 572 electrons/nm³, 다이아몬드의 705 electrons/nm³와 비교[10]). 작은 붕소 원자가 레늄 원자 사이의 기존 공간을 채우므로 레늄 격자는 5%만 확장된다. 또한 레늄과 붕소의 전기 음성도는 폴링 척도에서 1.9와 2.04로 충분히 가까워 전자가 거의 동등하게 공유되는 공유 결합을 형성한다.

참조

[1] 저널 Forward slip in the rolling of strip from metal powders
[2] 웹사이트 Rhenium Diboride https://www.american[...] 2018-08-02
[3] 저널 The crystal structure of rhenium diboride
[4] 저널 Comment on "Synthesis of Ultra-Incompressible Superhard Rhenium Diboride at Ambient Pressure" https://www.science.[...] 2007-12-07
[5] 저널 Synthesis of Ultra-Incompressible Superhard Rhenium Diboride at Ambient Pressure http://www.sciencema[...] 2007-04-20
[6] 저널 Is Rhenium Diboride a Superhard Material?
[7] 저널 Structural, mechanical, optical, thermodynamical and phonon properties of stable ReB2 polymorphs from density functional calculations https://www.scienced[...] 2015-10-12
[8] 저널 Superhard B4C-ReB2 composite by SPS of microwave synthesized nanopowders 2021-02-15
[9] 저널 Electronic, dynamical, and thermal properties of ultra-incompressible superhard rhenium diboride: A combined first-principles and neutron scattering study
[10] 저널 Osmium Diboride, An Ultra-Incompressible, Hard Material 2005-04-27
[11] 저널 Forward slip in the rolling of strip from metal powders
[12] 웹인용 Rhenium Diboride https://www.american[...] 2018-08-02


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